蜂群更好地设想同步微型机器人

想象一个拥有精准医疗的世界，一群微型机器人将药物有效载荷直接运送到生病的细胞。或者空中或海上无人机可以集体调查一个区域，同时交换有关其位置的最少信息。

实现这些技术的早期一步是能够同时模拟群体行为和同步时间 - 例如在粘菌，精子和萤火虫中发现的行为。

2014年，康奈尔大学的研究人员首次引入了一个简单的群振荡器模型 - “群振荡器”的缩写 - 粒子自组织以在时间和空间上同步。在20月<>日发表在《自然通讯》杂志上的“非均匀手性和非手性群体中的多样化行为”研究中，他们扩展了该模型，使其对工程微型机器人更有用;更好地了解现有的、观察到的生物行为;并让理论家在这个领域进行实验。

“我们想要一个简单的数学模型，可以为蜂群奠定基础，捕捉我们在自然和工程群中看到的所有复杂的新兴现象，”该论文的资深作者，助理教授，康奈尔工程系的Aref和Manon Lahham教员Kirstin Petersen说。

Steven Ceron博士是Petersen实验室的前研究生，是该论文的第一作者，Kevin O'Keeffe博士是应用数学的前研究生，是合著者。

O'Keeffe将这个模型比作一组俄罗斯娃娃中最大的娃娃，每个较小的娃娃代表能够模拟更精细行为的模型。“我们试图提出一个尽可能简单的模型，希望捕捉到一般现象，”他说。

研究人员简化了他们的模型，使其仅使用四个连接在一起的数学常数来产生不同的涌现行为，例如聚集，色散，涡旋，行波和弹跳集群。

新模型可以模拟自然界中每个粒子以不同的固有频率运行，因为一些物体在轨迹上的移动速度比其他物体慢而快。研究人员还增加了手性，即粒子在圆圈中移动的能力，因为自然界中的许多例子，如精子，都是在圆圈和漩涡中游泳的。模型中的粒子表现出局部耦合，因此它们只感知和响应它们的局部邻居。

该模型的核心是将蜂群行为与时间同步相结合。来自大自然的蜂拥而至的例子包括成群结队的鸟类或成群的踩踏水牛，其中个体作为一个群体一起移动。同步时间可以在心脏起搏器细胞中找到，这些细胞齐心协力地发射电脉冲，使心脏电击成有规律的重复跳动。精子同时代表这两种现象，因为它们可以在集体游泳时齐心协力地拍打尾巴。众所周知，萤火虫在同步闪烁时成群结队地飞行。

“这就是使他们成为蜂群的原因，因为有两个自组织力量同时进行，”奥基夫说。

该模型不会尝试对特定现实世界的蜂群进行建模，例如精子、机器人无人机或磁畴壁。相反，它试图对所有这些系统的共同行为进行建模——它的目标是普遍性，而不是特异性。例如，该模型被证明可以重现微生物粘菌中发现的行为，这些粘菌可以作为单个细胞运行，但当饥饿时会聚集成蛞蝓并最终形成子实体。

“这些非常简单的耦合机制有可能在功率，计算和内存资源非常有限的微型机器人群上实现，尽管它们各自简单，但可以协同工作，产生我们在模型中预测的复杂群体行为，”彼得森说。

O'Keeffe说，未来的一个应用可能是精准医疗，其中微小的磁化不溶性颗粒可以聚集并相互同步，然后控制以将有效载荷输送到需要治疗的组织。

　　免责声明：本文由用户上传，与本网站立场无关。财经信息仅供读者参考，并不构成投资建议。投资者据此操作，风险自担。 如有侵权请联系删除！