Фізики зі США виміряли механічні властивості рою мошек, спостерігаючи за його реакцією на синусоїдальні рухи маркера. У результаті вчені з'ясували, що рій являє собою в'язкоупругу рідину, і розробили модель, яка відтворює встановлені властивості. Вчені сподіваються, що їх стаття допоможе інженерам розробити більш досконалих колективних роботів. Стаття опублікована в.
Об'єднання тварин у групи часто виявляється корисним. Зокрема, група більш ефективно пересувається (косяки риб і птахів), збирає їжу (група мурахів) і будує (колонія термітів), ніж окремі представники того ж виду. Крім того, разом тварини швидше і точніше реагують на несподівані зміни зовнішніх умов. Деякі вчені навіть вважають, що групі можна приписати інтелект, який перевершує інтелект окремої особини, і вводять поняття колективного розуму (wisdom of the crowd).
Щоб застосувати ці спостереження на практиці - наприклад, побудувати ефективний рій роботів, - необхідно вхопити закони, за якими діє група, і побудувати на їх основі математичну модель. Як правило, така модель накладає деякі обмеження на індивідуальний рух тварин (наприклад, задає оптимальну відстань до сусідів), які при масштабуванні відтворюють необхідну динаміку. Цей підхід дуже нагадує опис термодинамічних систем, тому моделі колективного руху часто зводяться до моделей зі статистичної фізики.
На жаль, перевірити справедливість такої «фізичної» моделі дуже складно, оскільки безліч «мікроскопічних» законів взаємодії призводить до однієї і тієї ж групової поведінки. Грубо кажучи, будувати поведінкову модель за спостереженнями за груповим патерном і морфологією - все одно що вгадувати вміст закритої коробки, стукаючи по її кришці. Щоб отримати конкретну модель, потрібно стежити за більш тонкими властивостями групи, які неявно залежать від законів індивідуальної взаємодії.
Група дослідників під керівництвом Ніколя Улетта (Nicholas Ouellette) одна з перших вхопила такі тонкі властивості. Для цього вчені досліджували, як рій мошек реагує на синусоїдальні рухи маркера - чорного квадрата розміром 20 ст.120 сантиметрів, розташованого на дні кубічного акваріума зі стороною 120 сантиметрів. Частота коливань квадрата становила приблизно 0,3 герца, а амплітуда коливань сягала десяти сантиметрів. Оскільки в природі рій мошек схильний збиратися над таким маркером, вчені могли керувати роєм, прикладати до нього ефективну силу і вимірювати такі неочевидні властивості, як в'язкість і пружність. Рух мошок фізики записували на три рапідні камери з частотою сто кадрів на секунду.
У результаті дослідники виявили, що центр рою весь час слідував за міткою: частота коливань центру збігалася з частотою заданих коливань, амплітуда змінювалася пропорційно, а різність фаз перебувала на постійному рівні. Крім того, з рухом маркера були узгоджені рухи кожного вертикального зрізу рою, які також відбувалися на однаковій частоті. Тим не менш, фізики також помітили, що у верхніх шарах амплітуда коливань була менше, а фаза відставання - більше, ніж у нижніх шарах рою, що знаходяться ближче до мітки. Обидві ці характеристики росли пропорційно відстані до квадрата.
Відштовхуючись від вимірених залежностей амплітуди і фази коливань, вчені розрахували механічний відгук рою і розрахували його комплексний модуль зрушення. Дійсна частина цієї величини відображала кількість упругої енергії, яка запасається в зрушеній хвилі, що біжить по рію, а уявна частина вимірювала енергію, яка втрачалася в ході поширення хвилі. Щільність рою вчені вважали постійною. Оскільки і уявна, і дійсна частина комплексного модуля зсуву була відмінна від нуля, вчені зробили висновок, що рій можна вважати в'язкоупругим матеріалом. Модуль упругості такого «матеріалу» становить G 5 4 мікропаскаль (у мільйон разів менше модуля упругості гуми), в'язкість 0,358 0,002 міліпуаз (у тридцять разів менше в'язкості води при 20 градусах Цельсія), а міра ефективної інертності рою GM 29,5 0,2 міліграм на міліметр.
Нарешті, відштовхуючись від вимірених механічних властивостей рою, вчені побудували модель його поведінки. У цій моделі координата і швидкість кожної мошки визначається стохастичним рівнянням руху. Вільними параметрами цього рівняння є характерний часовий масштаб автокореляцій швидкості, середній квадрат швидкості мошок і середня відстань мошки до центру рою. Як показали розрахунки вчених, таке рівняння відтворює не тільки форму рою, а й його в'язкоупругу властивості.
Автори статті зазначають, що в'язкоупругу властивості рою допомагають мошкам створити базу для спарювання, яка залишається стійкою в змінному зовнішньому середовищі. З одного боку, завдяки в'язкості рій зберігає свою форму при зовнішньому впливі; з іншого боку, завдяки пружності він її швидко відновлює, коли вплив зникає. При цьому вчені підкреслюють, що мушки один з одним механічно не взаємодіють, а значить, властивості роя визначаються поведінкою індивідів. Тому дослідники інтерпретують в'язкоупругу властивості як передачу інформації крізь рій, а не як механічну напругу ефективного матеріалу.
Фізики часто порівнюють колективний рух живих істот з фізичними системами - зокрема, таким порівнянням піддавався рій мух, косяк риб, футболісти і пелотон велосипедистів. Цікаво, що властивості колективного руху іноді визначаються не стільки намірами окремих учасників, скільки їх фізичними можливостями або фізичними законами.