Амебы - это одноклеточные организмы. Посредством самоорганизации они могут образовывать сложные структуры - и делают это исключительно за счет локальных взаимодействий: если у них много пищи, они равномерно распределяются по питательной среде. Но если пищи становится мало, они выделяют вещество, известное как циклический аденозинмонофосфат (цАМФ). Этот химический сигнал побуждает амебы собираться в одном месте и образовывать многоклеточную агрегацию. В результате получается плодовое тело.

"Этот феномен хорошо известен", - говорит проф. Эрвин Фрей с физического факультета LMU. "Однако до сих пор ни одна исследовательская группа не исследовала, как обработка информации на общем уровне влияет на агрегацию систем агентов, когда отдельные агенты - в нашем случае амебы - являются самодвижущимися". Дополнительные знания об этих механизмах также были бы интересны, добавляет Фрей, с точки зрения их перевода в искусственные технические системы.

Вместе с другими исследователями Фрей описывает в Сообщения о природе как активные системы, обрабатывающие информацию в своей среде, могут быть использованы - для технологических или биологических применений. Речь идет не о понимании всех деталей коммуникации между отдельными агентами, а о конкретных структурах, формируемых посредством самоорганизации. Это относится к амебам, а также к определенным видам роботов. Исследование было проведено в сотрудничестве с проф. Игорь Аронсон во время своего пребывания в LMU в качестве лауреата премии Гумбольдта в области исследований.

От биологического механизма к технологическому применению

Справочная информация: Термин "активная материя" относится к биологическим или техническим системам, из которых посредством самоорганизации формируются более крупные структуры. Такие процессы основаны исключительно на локальных взаимодействиях между идентичными самодвижущимися единицами, такими как амебы или даже роботы.

Вдохновленный биологическими системами, Фрей и его соавторы предлагают новую модель, в которой самодвижущиеся агенты общаются друг с другом. Эти агенты распознают химические, биологические или физические сигналы на местном уровне и принимают индивидуальные решения, используя свои внутренние механизмы, которые приводят к коллективной самоорганизации. Такая ориентация приводит к появлению более крупных структур, которые могут охватывать несколько масштабов длины.

Новая парадигма передачи активной материи лежит в основе исследования. Локальные решения, принимаемые в ответ на сигнал и передачу информации, приводят к коллективно контролируемой самоорганизации.

Фрей видит возможное применение новой модели в мягких роботах, то есть роботах, изготовленных из мягких материалов. Такие роботы подходят, например, для выполнения задач в человеческих телах. Они могут взаимодействовать с другими мягкими роботами с помощью электромагнитных волн для таких целей, как введение лекарств в определенные участки тела. Новая модель может помочь нанотехнологам разрабатывать такие роботизированные системы, описывая коллективные свойства роев роботов.

"Достаточно примерно понять, как отдельные агенты общаются друг с другом; самоорганизация позаботится обо всем остальном", - говорит Фрей. "Это смена парадигмы, особенно в робототехнике, где исследователи пытаются сделать прямо противоположное - они хотят получить чрезвычайно высокий уровень контроля". Но это не всегда удается. "Наше предложение, напротив, состоит в том, чтобы использовать способность к самоорганизации".