Warum schwärmen Vögel? Wir beleuchten kollektive Bewegungen in heterogenen Bevölkerungsgruppen

Die Elektrifizierung von Kunststoffkügelchen in einem Laboraufbau erzeugt ein Schwarmverhalten, das dem bei Vögeln beobachteten ähnelt. Und wenn Sie Perlen zweier Größen mischen, trennen sie sich automatisch. Diese scheinbar einfache Beobachtung von Alexandre Morin und Samadarshi Maity lehrt uns etwas über kollektive Bewegung auf allen Ebenen. „Es ist schön, dass etwas so Komplexes wie Vögel durch Perlen im Wesentlichen verstanden werden kann.“

Ein einzelner Vogel kann in jede beliebige Richtung fliegen. Aber eine Vogelgruppe bewegt sich in die gleiche Richtung, als wären sie eins, ohne einem Anführer zu folgen: Sie scharen sich zusammen. Diese spontane Herdenbildung ist das Phänomen, das Morin untersucht, allerdings nicht durch Beobachtung von Tieren. Stattdessen verwendet er Mikrokügelchen aus Kunststoff.

Was uns Perlen über Flockenphänomene lehren

„Wir studieren kollektive Anträge“, beginnt Morin. „Die Leute erwarten, dass sich ein Objekt immer gleich verhält, egal wie viele es sind. Ab einer bestimmten Dichte ist das aber nicht mehr der Fall. Nicht für Vögel und nicht für Perlen. Das Prinzip ist das gleiche.“

Mit Mikrokügelchen, die zehnmal kleiner sind als die Dicke eines Haares, ahmt der Forscher Herden im Labor nach. Auf diese Weise können sie eine einzelne Einheit kontrollieren und große Herden manipulieren. Etwas, das bei Tieren nicht möglich ist. „Mit Herden, die unter das Mikroskop passen, können wir so viel mehr lernen.“

Ph.D. Kandidatin Maity beschreibt das Experiment. „Wir haben zwei Arten von Perlen unterschiedlicher Größe. Wir platzieren sie mit einer festen Geschwindigkeit in einer zufälligen Richtung in einer kreisförmigen Mulde. Wenn genügend Perlen vorhanden sind, entsteht eine kollektive Wirbelbewegung.“ Morin fügt hinzu: „Mit anderen Worten, die Perlen verhalten sich wie ein Schwarm, obwohl sie weder Gehirn noch Kognition haben. Das ist für mich einfach erstaunlich.“

Unerwartete Selbstsortierung

Der Schwarm einer einzelnen Art ist gut verstanden, aber die Leidener Forscher haben dieses Verständnis durch die Vermischung zweier Arten vorangetrieben. Sie beobachteten etwas Unerwartetes. „Durch die Einführung zweier Perlengrößen haben wir eine Komplexität hinzugefügt, die natürliche Systeme besser darstellt“, erklärt Maity. „Wir haben gesehen, dass die kleinen Perlen schnell in die Mitte wanderten und die großen an den Rand. Sie sortierten sich spontan.“

„Und natürlich wollen wir verstehen, warum“, fügt Morin hinzu.

Um diese Frage zu beantworten, entwickelten sie ein theoretisches Modell. „Mit einem mathematischen Modell können wir allgemeine Regeln entdecken. Diese beschreiben alle Wechselwirkungen im System und verfolgen jederzeit, wo sich einzelne Perlen befinden“, sagt Morin.

„Ich habe viele kleinere Experimente durchgeführt und diese Daten in das Modell eingespeist“, sagt Maity. „Und es hat bemerkenswert gut funktioniert. Unser Modell kann vorhersagen, wie sich ein System bewegen wird. Wir haben gelernt, dass der Haupteinfluss auf das Sortierverhalten die Geschwindigkeit der Perlen ist, nicht ihre Größe.“

Ihr Artikel: „Spontane Entmischung binärer kolloidaler Flocken„ ist nun in der Fachzeitschrift erschienen Briefe zur körperlichen Untersuchung.

Schwärme von Robotern

Typischerweise ist es einfach, Partikel unterschiedlicher Größe durch Zentrifugation zu trennen. Diese Technik wird häufig eingesetzt, von der Pharmazie bis zur Lebensmittelindustrie. Die Arbeit von Morin und Maity bietet eine Alternative. „Mit unserer Methode können wir sogar Partikel gleicher Größe und Dichte trennen“, sagt Morin.

Laut Maity hat das Verständnis der Beflockung noch weitere Vorteile. „Ein anderes Beispiel sind autonome Roboterschwärme, wie in einem Lagerhaus oder den Starlink-Satelliten. Unsere Arbeit kann dazu beitragen, solche Roboter besser zu programmieren. Der Schwarm wird zuverlässiger als die einzelnen Roboter. Wenn einer ausfällt, funktioniert der Schwarm immer noch.“

Nachdem Morins Gruppe nun das System der Perlenbeflockung verstanden hat, wird sie andere kollektive Phänomene erforschen. „Wir werden uns weiterhin mit der Selbstorganisation befassen, allerdings mit verformbaren Einheiten. Dadurch werden menschliche Gewebe besser nachgeahmt, sodass wir dem Verständnis natürlicher Systeme noch näher kommen.“