Glasbolletjes vormen simpel een zwerm

Groepsvorming Als vissen in een school gaan glazen bolletjes zich, met slechts een paar simpele instructies, als een hechte groep gedragen.

School koornaarvissen. „We wilden het minimale aantal regels achterhalen dat nodig is om dit gedrag op te wekken.”
School koornaarvissen. „We wilden het minimale aantal regels achterhalen dat nodig is om dit gedrag op te wekken.” Foto Getty Images/iStockphoto

Vogels en insecten vormen zwermen, vissen scholen. Door een coherente groep te vormen zijn de dieren een minder gemakkelijke prooi voor roofdieren. Duitse wetenschappers onderzochten de minimale instructies die individuen van een groep nodig hebben om een zwerm te vormen.

Hiervoor gebruikten ze geen dieren, maar glazen microbolletjes die rondzwommen in een vloeistof. De bolletjes hadden maar een paar vaardigheden nodig om een zwerm te vormen: recht vooruit kunnen kijken en, afhankelijk van het aantal andere bolletjes dat ze dan zien, hun snelheid aanpassen. Dit concluderen de onderzoekers in een artikel dat donderdag verscheen in Science.

„Ons doel was niet om het gedrag van dieren te beschrijven”, vertelt hoogleraar Clemens Bechinger van de Universität Konstanz, die het onderzoek coördineerde. „We weten dat dieren op verschillende manieren zwermen vormen. We wilden het minimale aantal regels achterhalen dat nodig is om dit gedrag op te wekken.”

Een honderdste millimeter

Voor het experiment gebruikten de onderzoekers tientallen glazen balletjes van enkele duizendsten van een millimeter groot die door een vloeistof bewogen. Dat is vergelijkbaar met de afmeting van bacteriën, vertelt Bechinger. „Deeltjes van dit formaat worden gemakkelijk in beweging gebracht in een vloeistof.” Die vloeistof bestaat uit willekeurig bewegende moleculen. Deeltjes die in de vloeistof worden gebracht, en kleiner zijn dan een honderdste millimeter, gaan door botsingen met die moleculen ook bewegen. Eveneens willekeurig, en rond hun as.

Om de bolletjes gericht en sneller te laten bewegen waren ze aan één kant bedekt met een dun laagje koolstof. Als je met een laserstraal op een bolletje schijnt, absorbeert het koolstof dat licht. Daardoor wordt één kant van het deeltje warmer en gaat de vloeistof aan zijn oppervlak stromen. Door die stroming wordt het deeltje vooruit geduwd, vergelijkbaar met de propeller van een schip die water wegduwt.

Naast beweging moesten de onderzoekers ook zicht nabootsen. Daarvoor maakten ze gebruik van een camera en een computer die de laser aanstuurt. De camera hield alle balletjes in de gaten. Als zich in het gebied voor een balletje voldoende andere bevonden, werd het kort beschenen met de laser. De reikwijdte van dat gebied – het ‘zichtveld’ – was van te voren in een computerprogramma omschreven. Na te zijn beschenen beweegt een deeltje naar de rest toe.

Deeltjes die uit de groep proberen te ontsnappen krijgen geen zetje meer

Deeltjes die naar de randen van de groep bewegen, ‘zien’ steeds minder andere deeltjes, worden door de laser met rust gelaten, en vertragen. Als ze bijna tot stilstand zijn gekomen, blijven ze enkel door de botsende vloeistofmoleculen doelloos rondtollen. Zo hangen ze rond aan de randen tot ze de groep weer in het vizier krijgen. Als de camera dat detecteert, krijgen ze een zet van de laser en bewegen ze naar de rest van de zwerm.

Deeltjes die uit de groep proberen te ontsnappen worden zo ‘gestraft’ doordat ze geen zetje meer krijgen en steeds trager bewegen. In de proef vormden de deeltjes na een aantal minuten een stabiele, hechte groep.

Met deze simpele regels is bijvoorbeeld een zwerm microrobots aan te sturen. „Die zijn zo klein dat er weinig ruimte voor sensoren is”, zegt Bechinger. „Je wilt gedrag dan met weinig input sturen.”