Självgående partiklar

SPP-modeller förutsäger robusta uppkomstbeteenden förekommer i svärmar oberoende av vilken typ av djur som är i svärmen.

Självgående partiklar (SPP), även kallade självdrivna partiklar, är termer som används av fysiker för att beskriva autonoma medel , som omvandlar energi från miljön till riktad eller ihållande rörelse. Naturliga system som har inspirerat studien och designen av dessa partiklar inkluderar promenader, simning eller flygande djur. Andra biologiska system inkluderar bakterier, celler, alger och andra mikroorganismer. Generellt hänvisar självgående partiklar ofta till konstgjorda system som robotar eller specifikt designade partiklar som simmande Janus-kolloider , bimetalliska nanorods, nanomotorer och gående korn. I fallet med riktad framdrivning, som drivs av en kemisk gradient, kallas detta kemotaxi , observerat i biologiska system, t.ex. bakteriekvorumavkänning och detektion av myrferomon, och i syntetiska system, t.ex. enzymmolekylkemotaxi och enzymdrivet hårt och mjuka partiklar.

Översikt

Självgående partiklar interagerar med varandra, vilket kan leda till uppkomsten av kollektiva beteenden. Dessa kollektiva beteenden efterliknar den självorganisering som observerats vid flockning av fåglar, svärmningen av insekter, bildandet av fårhjordar, etc.

För att förstå förekomsten av sådana fenomen har fysiker utvecklat ett antal självgående partikelmodeller. Dessa modeller förutspår att självgående partiklar delar vissa egenskaper på gruppnivå, oavsett vilken typ av djur (eller artificiella partiklar) i svärmen. Det har blivit en utmaning inom teoretisk fysik att hitta minimala statistiska modeller som fångar dessa beteenden.

Exempel

Biologiska system

De flesta djur kan ses som SPP: de hittar energi i sin mat och uppvisar olika förflyttningsstrategier, från att flyga till att krypa. De mest framträdande exemplen på kollektiva beteenden i dessa system är fiskstim, fågelflockar, fårhjordar, människoskaror. I mindre skala kan celler och bakterier också behandlas som SPP. Dessa biologiska system kan driva sig själva baserat på närvaron av kemoattraktanter. I ännu mindre skala molekylära motorer ATP-energi till riktad rörelse. Nyligen arbete har visat att enzymmolekyler också kommer att driva sig själva. Vidare har det visat sig att de företrädesvis kommer att röra sig mot en region med högre substratkoncentration, ett fenomen som har utvecklats till en reningsteknik för att isolera levande enzymer. Dessutom kan mikropartiklar eller vesiklar bli självgående när de är funktionaliserade med enzymer. De katalytiska reaktionerna av enzymerna styr partiklarna eller vesiklarna baserat på motsvarande substratgradienter.

Konstgjorda system

Ett exempel på en SPP: en guld-platina nanorod som genomgår självframdrivning i väteperoxid på grund av självelektroforetiska krafter.

Det finns en skillnad mellan våta och torra system. I det första fallet "simmar" partiklarna i en omgivande vätska; i det andra fallet "går" partiklarna på ett substrat.

Aktiva kolloidala partiklar, kallade nanomotorer , är det prototypiska exemplet på våt SPP. Janus-partiklar är kolloidala partiklar med två olika sidor, med olika fysikaliska eller kemiska egenskaper. Denna symmetribrytning möjliggör, genom att korrekt ställa in miljön (vanligtvis den omgivande lösningen), för Janus-partikelns rörelse. Till exempel kan de två sidorna av Janus-partikeln inducera en lokal gradient av temperatur, elektriskt fält eller koncentration av kemiska arter. Detta inducerar rörelse av Janus-partikeln längs gradienten genom termofores , elektrofores eller diffusiofores . Eftersom Janus-partiklarna förbrukar energi från sin omgivning (katalys av kemiska reaktioner, ljusabsorption, etc.), utgör den resulterande rörelsen en oåterkallelig process och partiklarna är ur jämvikt.

• Det första exemplet på en artificiell SPP på nano- eller mikronskalan var en guld-platina bimetallisk nanorod utvecklad av Sen och Mallouk. I en lösning av väteperoxid skulle denna "nanomotor" uppvisa en katalytisk oxidations-reduktionsreaktion, och därigenom inducera ett vätskeflöde längs ytan genom självdiffusiofores. Ett liknande system använde en koppar-platinastav i en bromlösning.
• En annan Janus SPP utvecklades genom att belägga hälften av en polystyrenpärla med platina. Dessa användes för att styra rörelsen hos katalytiska motorer när de var nära en fast yta. Dessa system kunde flytta de aktiva kolloiderna med hjälp av geometriska begränsningar.
• Ett annat exempel på en Janus SPP är en organometallisk motor som använder en guld-kiseldioxidmikrosfär. Grubbs katalysator var bunden till kiseldioxidhalvan av partikeln och i lösning av monomer skulle driva en katalytisk polymerisation. Den resulterande koncentrationsgradienten över ytan skulle driva motorn i lösning.
• Ett annat exempel på en artificiell SPP är platinaspinnmikropartiklar som har kontrollerbara rotationer baserat på deras form och symmetri.
• Ett annat exempel är tvåfasiga Janus-oljedroppar som visar självgående rörelse.
• Flera andra exempel beskrivs på den nanomotorspecifika sidan.

Vandrande korn är en typisk realisering av torr SPP: kornen är millimetriska skivor som sitter på en vertikalt vibrerande platta, som fungerar som källan till energi och momentum. Skivorna har två olika kontakter ("fötter") med plattan, en hård nålliknande fot fram och en stor mjuk gummifot bak. När de skakas rör sig skivorna i en preferensriktning som definieras av kontakternas polära (huvud-svans) symmetri. Detta tillsammans med vibrationsljudet resulterar i en ihållande slumpmässig promenad.

Symmetri bryts

Symmetribrott är ett nödvändigt villkor för SPPs, eftersom det måste finnas en prioriterad riktning för att röra sig. Emellertid kan symmetribrottet inte enbart komma från själva strukturen utan från dess interaktion med elektromagnetiska fält, i synnerhet när man tar hänsyn till retardationseffekter. Detta kan användas för fototaktisk rörelse av även mycket symmetriska nanopartiklar. År 2020 visades det teoretiskt att även slumpmässigt orienterade symmetriska partiklar (nanodimerer i detta fall) kan uppleva en termoforetisk medelkraft som inte är noll när de belyses från en given riktning. År 2021 visades det experimentellt att helt symmetriska partiklar (sfäriska mikrosimmare i detta fall) upplever en netto termoforetisk kraft när de belyses från en given riktning.

Swirlons

År 2020 rapporterade forskare från University of Leicester ett hittills okänt tillstånd av självgående partiklar - som de kallade ett "virveltillstånd". Det virvelformade tillståndet består av "swirlons", bildade av grupper av självgående partiklar som kretsar kring ett gemensamt masscentrum. Dessa kvasipartiklar uppvisar ett överraskande beteende: Som svar på en extern belastning rör de sig med en konstant hastighet proportionell mot den applicerade kraften, precis som föremål i trögflytande media. Virvlar attraherar varandra och smälter samman och bildar en större, gemensam virvel. Koalescensen är en extremt långsam, bromsande process, vilket resulterar i ett försvagat tillstånd av orörliga kvasipartiklar. Förutom virveltillståndet observerades gasformiga, flytande och fasta tillstånd, beroende på de interpartikel- och självdrivande krafterna. I motsats till molekylära system existerar inte flytande och gasformiga tillstånd av självgående partiklar.

Typiskt kollektivt beteende

Typiska kollektiva rörelser inkluderar i allmänhet bildandet av självmonterade strukturer, såsom kluster och organiserade sammansättningar.

Det framträdande och mest spektakulära framväxande storskaliga beteendet som observerats i sammansättningar av SPP är riktade kollektiva rörelser . I så fall rör sig alla partiklar i samma riktning. Utöver det kan rumsliga strukturer uppstå som band, virvlar, astrar, rörliga kluster.

En annan klass av storskaligt beteende, som inte innebär riktad rörelse, är antingen den spontana bildningen av kluster eller separationen i en gasliknande och en vätskeliknande fas, ett oväntat fenomen när SPP har en rent repulsiv interaktion. Denna fasseparation har kallats Motility Induced Phase Separation (MIPS).

Exempel på modellering

Modelleringen av SPP introducerades 1995 av Tamás Vicsek et al. som ett specialfall av Boids -modellen som introducerades 1986 av Reynolds . I så fall är SPP punktpartiklar som rör sig med konstant hastighet. och anta (vid varje steg) den genomsnittliga rörelseriktningen för de andra partiklarna i deras lokala grannskap upp till något extra brus.

Extern video
SPP modell interaktiv simulering – behöver Java

Simuleringar visar att en lämplig "närmaste granne regel" så småningom resulterar i att alla partiklar svärmar ihop eller rör sig i samma riktning. Detta framkommer, trots att det inte finns någon centraliserad koordinering, och trots att grannarna för varje partikel hela tiden förändras över tiden (se den interaktiva simuleringen i rutan till höger).

Sedan dess har ett antal modeller föreslagits, allt från den enkla aktiva Brownska partikeln till detaljerade och specialiserade modeller som syftar till att beskriva specifika system och situationer. Bland de viktiga ingredienserna i dessa modeller kan man lista

• Självframdrivning : i frånvaro av interaktion konvergerar SPP-hastigheten till ett föreskrivet konstant värde
• Kroppsinteraktioner: partiklarna kan betraktas som punkter (ingen kroppsinteraktion) som i Vicsek-modellen. Alternativt kan man inkludera en interaktionspotential, antingen attraktiv eller frånstötande. Denna potential kan vara isotrop eller inte för att beskriva sfäriska eller långsträckta partiklar.
• Kroppsorientering: för de partiklar med en kroppsfixerad axel kan man inkludera ytterligare frihetsgrader för att beskriva kroppens orientering. Kopplingen av denna kroppsaxel med hastigheten är ett ytterligare alternativ.
• Justera interaktionsregler: i Vicsek-modellens anda anpassar närliggande partiklar sina hastigheter. En annan möjlighet är att de anpassar sina riktningar.

Man kan också inkludera effektiva influenser av omgivningen; till exempel kan den nominella hastigheten för SPP ställas in för att bero på den lokala densiteten, för att ta hänsyn till trängningseffekter.

Självgående partiklar kan också modelleras med hjälp av on-gitter-modeller, som erbjuder fördelen av att vara enkla och effektiva att simulera, och i vissa fall kan vara lättare att analysera matematiskt. På-gittermodeller såsom BIO-LGCA- modeller har använts för att studera fysiska aspekter av självgående partikelsystem (såsom fasövergångar och mönsterbildande potential) såväl som specifika frågor relaterade till verkliga system med aktiv materia (till exempel identifiering av de underliggande biologiska processerna involverade i tumörinvasion).

Vissa applikationer till riktiga system

gräshoppsnymf

Extern video
Marcherande gräshoppor – snabbas upp 6-faldigt När tätheten av gräshoppor når en kritisk punkt, marscherar de stadigt tillsammans utan riktningsomkastningar.

Marcherande gräshoppor

Unga ökengräshoppor är ensamma och vinglösa nymfer . Om det är ont om mat kan de samlas och börja ockupera närliggande områden och rekrytera fler gräshoppor. Så småningom kan de bli en marscharmé som sträcker sig över många kilometer. Detta kan vara upptakten till utvecklingen av de stora flygande svärmarna av vuxna gräshoppor som ödelägger vegetation på kontinental skala.

En av nyckelförutsägelserna i SPP-modellen är att när befolkningstätheten i en grupp ökar sker en abrupt övergång från att individer rör sig på relativt oordnade och oberoende sätt inom gruppen till att gruppen rör sig som en högst likställd helhet. När det gäller unga ökengräshoppor bör alltså en triggerpunkt uppstå som förvandlar oorganiserade och spridda gräshoppor till en samordnad marscharmé. När den kritiska befolkningstätheten uppnås bör insekterna börja marschera tillsammans på ett stabilt sätt och i samma riktning.

2006 undersökte en grupp forskare hur denna modell höll sig i laboratoriet. Gräshoppor placerades i en cirkulär arena och deras rörelser spårades med datorprogram. Vid låga tätheter, under 18 gräshoppor per kvadratmeter, fräser gräshopporna på ett oordnat sätt. Vid mellanliggande tätheter börjar de falla i linje och marschera tillsammans, avbrutna av plötsliga men koordinerade förändringar i riktning. Men när tätheterna nådde ett kritiskt värde vid cirka 74 gräshoppor/m ² upphörde gräshopporna att göra snabba och spontana riktningsändringar och marscherade istället stadigt i samma riktning under hela åtta timmar av experimentet (se videon till vänster) . Detta bekräftade beteendet som förutspåtts av SPP-modellerna.

På fältet, enligt FN:s livsmedels- och jordbruksorganisation, är den genomsnittliga tätheten av marschband 50 gräshoppor/m ² (50 miljoner gräshoppor/km ² ), med ett typiskt intervall från 20 till 120 gräshoppor/m ² . Forskningsresultaten som diskuterats ovan visar den dynamiska instabiliteten som finns vid de lägre gräshoppstätheterna som är typiska i fält, där marscherande grupper slumpmässigt byter riktning utan någon yttre störning. Att förstå detta fenomen, tillsammans med övergången till fullt koordinerad marsch med högre tätheter, är avgörande om svärmningen av ökengräshoppor ska kunna kontrolleras.

Fågellandningar

Flockar av fåglar kan plötsligt ändra sin riktning unisont och sedan, lika plötsligt, fatta ett enhälligt gruppbeslut att landa

Svärmande djur, som myror, bin, fiskar och fåglar, observeras ofta plötsligt byta från ett tillstånd till ett annat. Till exempel växlar fåglar abrupt från ett flygande tillstånd till ett landningstillstånd. Eller fiskar byter från skolgång i en riktning till skolgång i en annan riktning. Sådana tillståndsväxlar kan ske med häpnadsväckande hastighet och synkronitet, som om alla medlemmar i gruppen fattade ett enhälligt beslut i samma ögonblick. Fenomen som dessa har länge förbryllat forskare.

2010 använde Bhattacharya och Vicsek en SPP-modell för att analysera vad som händer här. Som ett paradigm övervägde de hur flygande fåglar kommer fram till ett kollektivt beslut att göra en plötslig och synkroniserad förändring av land. Fåglarna, som stararna på bilden till höger, har ingen beslutsfattande ledare, ändå vet flocken exakt hur man landar på ett enhetligt sätt. Behovet för gruppen att landa åsidosätter individuella fåglars avvikande avsikter. Partikelmodellen fann att det kollektiva skiftet till landning beror på störningar som gäller för de enskilda fåglarna, till exempel var fåglarna befinner sig i flocken. Det är beteende som kan jämföras med hur sand laviner, om den läggs på hög, före den punkt där symmetriska och noggrant placerade korn skulle lavinera, eftersom fluktuationerna blir allt mer icke-linjära.

"Vår främsta motivation var att bättre förstå något som är förbryllande och ute i naturen, särskilt i fall som involverar stoppande eller start av ett kollektivt beteendemönster hos en grupp människor eller djur ... Vi föreslår en enkel modell för ett system vars medlemmar har en tendens att följa de andra både i rymden och i deras sinnestillstånd angående ett beslut om att avbryta en aktivitet. Detta är en mycket generell modell, som kan tillämpas på liknande situationer." Modellen kan också appliceras på en svärm av obemannade drönare , för att initiera den önskade rörelsen i en skara människor, eller för att tolka gruppmönster när aktiemarknadsandelar köps eller säljs.

Andra exempel

SPP-modeller har tillämpats på många andra områden, såsom skolfiskar , robotsvärmar , molekylära motorer , utvecklingen av mänskliga stampedes och utvecklingen av mänskliga spår i urbana grönområden. SPP i Stokes-flöde , såsom Janus-partiklar , modelleras ofta av squirmer- modellen.

Se även

• Klustring av självgående partiklar
• Kör-och-tumla partikel
• Janus partiklar
• Mikrosimmare
• Vicsek modell

Ytterligare referenser

•   Ihle T (mars 2011). "Kinetisk teori om flockning: härledning av hydrodynamiska ekvationer" . Fysisk granskning E . 83 (3 Pt 1): 030901. arXiv : 1006.1825 . Bibcode : 2011PhRvE..83c0901I . doi : 10.1103/PhysRevE.83.030901 . PMID 21517447 .
•   Bertin E, Droz M, Grégoire G (2009). "Hydrodynamiska ekvationer för självgående partiklar: mikroskopisk härledning och stabilitetsanalys". Journal of Physics A . 42 (44): 445001. arXiv : 0907.4688 . Bibcode : 2009JPhA...42R5001B . doi : 10.1088/1751-8113/42/44/445001 . S2CID 17686543 .
•    Ihle T (oktober 2013). "Invasionsvågsinducerad första ordningens fasövergång i system av aktiva partiklar". Fysisk granskning E . 88 (4): 040303. arXiv : 1304.0149 . Bibcode : 2013PhRvE..88d0303I . doi : 10.1103/PhysRevE.88.040303 . PMID 24229097 . S2CID 14951536 .
•   Czirók A, Stanley HE, Vicsek T (1997). "Spontant beordrad rörelse av självgående partiklar". Journal of Physics A . 30 (5): 1375–1385. arXiv : cond-mat/0611741 . Bibcode : 1997JPhA...30.1375C . doi : 10.1088/0305-4470/30/5/009 . S2CID 16154002 .
•   Czirók A, Barabási AL, Vicsek T (1999). "Kollektiv rörelse av självgående partiklar: Kinetisk fasövergång i en dimension". Fysiska granskningsbrev . 82 (1): 209–212. arXiv : cond-mat/9712154 . Bibcode : 1999PhRvL..82..209C . doi : 10.1103/PhysRevLett.82.209 . S2CID 16881098 .
•   Czirók A, Vicsek T (2001). "Flockning: kollektiv rörelse av självgående partiklar" . I Vicsek T (red.). Fluktuationer och skalning i biologi . Oxford University Press. s. 177–209. ISBN 978-0-19-850790-1 .
•   D'Orsogna MR, Chuang YL, Bertozzi AL, Chayes LS (mars 2006). "Självgående partiklar med växelverkan med mjuk kärna: mönster, stabilitet och kollaps" . Fysiska granskningsbrev . 96 (10): 104302. Bibcode : 2006PhRvL..96j4302D . doi : 10.1103/PhysRevLett.96.104302 . PMID 16605738 .
•    Levine H, Rappel WJ, Cohen I (januari 2001). "Självorganisering i system av självgående partiklar". Fysisk granskning E . 63 (1 Pt 2): 017101. arXiv : cond-mat/0006477 . Bibcode : 2000PhRvE..63a7101L . doi : 10.1103/PhysRevE.63.017101 . PMID 11304390 . S2CID 19509007 .
•   Mehandia V, Nott PR (2008). "Den kollektiva dynamiken hos självgående partiklar". Journal of Fluid Mechanics . 595 : 239-264. arXiv : 0707.1436 . Bibcode : 2008JFM...595..239M . doi : 10.1017/S0022112007009184 . S2CID 119610757 .
•   Helbing D (2001). "Den underbara världen av aktiva många-partikelsystem" . Framsteg inom fasta tillståndets fysik. Vol. 41. s. 357–368. doi : 10.1007/3-540-44946-9_29 . ISBN 978-3-540-42000-2 .
•    Aditi Simha R, Ramaswamy S (juli 2002). "Hydrodynamiska fluktuationer och instabiliteter i ordnade suspensioner av självgående partiklar". Fysiska granskningsbrev . 89 (5): 058101. arXiv : cond-mat/0108301 . Bibcode : 2002PhRvL..89e8101A . doi : 10.1103/PhysRevLett.89.058101 . PMID 12144468 . S2CID 3845736 .
•   Sumpter DJ (2010). "Kapitel 5: Att flytta ihop" . Kollektivt djurbeteende . Princeton University Press. ISBN 978-0-691-12963-1 .
•    Vicsek T (juli 2010). "Statistisk fysik: Närmar sig undanflyktare" . Naturen . 466 (7302): 43–4. Bibcode : 2010Natur.466...43V . doi : 10.1038/466043a . PMID 20596010 . S2CID 12682238 .
• Yates CA (2007). Om dynamiken och utvecklingen av självgående partikelmodeller (PDF) (examensarbete). Somerville College, University of Oxford.
• Yates CA, Baker RE , Erban R, Maini PK (hösten 2010). "Förfining av självgående partikelmodeller för kollektivt beteende" ( PDF) . Kanadensisk tillämpad matematik kvartalsvis . 18 (3).

externa länkar

• Svärmande ökengräshoppor – Videoklipp från Planet Earth