Ритм роя: Управляемые частицы синхронизируют движение как живые организмы

Коллаборация учёных из Констанцского университета и Исследовательского центра Юлиха впервые экспериментально создала полностью настраиваемую систему «свармалаторов» — частиц, которые одновременно координируют своё движение и синхронизируют внутренние ритмы. Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, показывает, как крошечные самоходные частицы демонстрируют поведение, напоминающее светлячков, японских древесных лягушек или косяки рыб.

Гидродинамическая синхронизация осциллирующих ABP. Автор: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-66830-5

Результаты подчёркивают, как коллективная динамика может возникать из простых взаимодействий, без общего лидерства или управления. Возможные применения включают автономные рои роботов.

В новом исследовании Вайт-Лоренц Хойте и Клеменс Бехингер (Констанцский университет) вместе с Приянкой Айер и Герхардом Гомпером (Исследовательский центр Юлиха) создали микроскопическую модель свармалатора из светоуправляемых коллоидных частиц.

Каждая частица стремится двигаться к контрольной точке под управлением лазерной обратной связи, но с небольшой временной задержкой, что вызывает орбитальное колебательное движение вокруг точки. Когда множество таких осцилляторов взаимодействуют через гидродинамические потоки в жидкости, они спонтанно синхронизируются и самоорганизуются в сложные паттерны. «Настраивая всего один параметр, мы можем переключать систему из синхронизированных кластеров во вращающиеся или полностью рассеянные состояния», — говорит Хойте, проводивший эксперименты.

Особенно поразительным новым наблюдением стало возникновение вращающегося состояния свармалаторов. Здесь синхронизированные частицы генерируют крошечные циркулирующие поля течения, которые объединяются в коллективный крутящий момент, заставляя весь кластер вращаться, хотя ни одна из частиц сама по себе крутящего момента не создаёт. Это вращение возникает из-за фазозависимых боковых гидродинамических сил между соседними частицами и порождает коллективное движение, очень похожее на вихревые скопления, наблюдаемые в некоторых биологических системах, таких как группы эмбрионов морских звёзд или бактериальные колонии.

«Наши симуляции раскрывают, как поля жидкостного течения создают обратную связь между движением и фазой — суть поведения свармалатора», — объясняет Приянка Айер, руководившая численным моделированием.

«Захватывающе, что такие простые системы могут имитировать сложную коллективную динамику живых организмов», — добавляет Клеменс Бехингер.

Поскольку сила связи и синхронизация частиц могут точно контролироваться, система также предоставляет модель для автономных роёв роботов, где координация и распределение задач могли бы возникать спонтанно без централизованного управления. Исследование устанавливает универсальную платформу для изучения того, как сложное коллективное поведение и память возникают из простых правил взаимодействия, соединяя миры биологических сообществ и синтетической активной материи.

Больше информации: Veit-Lorenz Heuthe et al, Tunable colloidal swarmalators with hydrodynamic coupling, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-66830-5

Источник: University of Konstanz

Интересный факт: Явление синхронного мерцания светлячков, которое вдохновило исследователей, наблюдается в нескольких регионах мира, включая национальный парк Грейт-Смоки-Маунтинс в США. Тысячи насекомых вспыхивают одновременно с поразительной точностью, и механизм этой синхронизации долгое время оставался загадкой для науки.