Selbstfahrende Partikel - Self-propelled particles

SPP-Modelle sagen voraus, dass in Schwärmen robuste emergische Verhaltensweisen auftreten, unabhängig von der Art des Tieres, das sich im Schwarm befindet.

Selbstangetriebene Teilchen (SPP), auch als selbstangetriebene Teilchen bezeichnet, sind Begriffe, die von Physikern verwendet werden, um autonome Agenten zu beschreiben , die Energie aus der Umgebung in gerichtete oder anhaltende Bewegung umwandeln. Zu den natürlichen Systemen, die das Studium und das Design dieser Partikel inspiriert haben, gehören wandelnde, schwimmende oder fliegende Tiere. Andere biologische Systeme umfassen Bakterien, Zellen, Algen und andere Mikroorganismen. Im Allgemeinen beziehen sich selbstfahrende Partikel oft auf künstliche Systeme wie Roboter oder speziell entworfene Partikel wie schwimmende Janus-Kolloide , bimetallische Nanostäbe, Nanomotoren und wandelnde Körner. Im Fall von gerichtetem Antrieb, der durch einen chemischen Gradienten angetrieben wird, wird dies als Chemotaxis bezeichnet , beobachtet in biologischen Systemen, z weiche Partikel.

Überblick

Selbstangetriebene Partikel interagieren miteinander, was zur Entstehung kollektiver Verhaltensweisen führen kann. Diese kollektiven Verhaltensweisen ahmen die Selbstorganisation nach, die bei Vogelschwärmen, Wanzenschwärmen, Schafherdenbildung usw. beobachtet wird.

Um die Allgegenwart solcher Phänomene zu verstehen, haben Physiker eine Reihe von selbstangetriebenen Teilchenmodellen entwickelt. Diese Modelle sagen voraus, dass selbstangetriebene Partikel bestimmte Eigenschaften auf Gruppenebene teilen, unabhängig von der Art der Tiere (oder künstlichen Partikel) im Schwarm. In der theoretischen Physik ist es zu einer Herausforderung geworden, minimale statistische Modelle zu finden, die dieses Verhalten erfassen.

Beispiele

Biologische Systeme

Die meisten Tiere können als SPP angesehen werden: Sie finden Energie in ihrer Nahrung und zeigen verschiedene Fortbewegungsstrategien, vom Fliegen bis zum Krabbeln. Die bekanntesten Beispiele für kollektives Verhalten in diesen Systemen sind Fischschwärme, Vogelschwärme, Schafherden, Menschenmengen. In kleinerem Maßstab können auch Zellen und Bakterien als SPP behandelt werden. Diese biologischen Systeme können sich aufgrund der Anwesenheit von Chemoattraktanten selbst antreiben. In noch kleinerem Maßstab wandeln molekulare Motoren ATP-Energie in gerichtete Bewegung um. Neuere Arbeiten haben gezeigt, dass auch Enzymmoleküle sich selbst antreiben. Weiterhin wurde gezeigt, dass sie sich vorzugsweise in Richtung einer Region mit höherer Substratkonzentration bewegen, ein Phänomen, das zu einer Reinigungstechnik zur Isolierung lebender Enzyme entwickelt wurde. Darüber hinaus können Mikropartikel oder Vesikel selbstangetrieben werden, wenn sie mit Enzymen funktionalisiert werden. Die katalytischen Reaktionen der Enzyme lenken die Partikel oder Vesikel anhand entsprechender Substratgradienten.

Künstliche Systeme

Ein Beispiel für eine SPP: ein Gold-Platin - Nanostäbchen , die erfahren Eigenantrieb durch selbst elektrophoretische Kräfte in Wasserstoffperoxid.

Es wird zwischen Nass- und Trockensystemen unterschieden. Im ersten Fall "schwimmen" die Teilchen in einer umgebenden Flüssigkeit; im zweiten Fall "laufen" die Partikel auf einem Substrat.

Aktive kolloidale Partikel, Nanomotoren genannt , sind das prototypische Beispiel für nasses SPP. Janus-Partikel sind kolloidale Partikel mit zwei verschiedenen Seiten, die unterschiedliche physikalische oder chemische Eigenschaften haben. Diese Symmetriebrechung ermöglicht durch geeignetes Abstimmen der Umgebung (typischerweise die umgebende Lösung) die Bewegung des Janus-Teilchens. Zum Beispiel können die beiden Seiten des Janus-Partikels einen lokalen Gradienten von Temperatur, elektrischem Feld oder Konzentration chemischer Spezies induzieren. Dies induziert eine Bewegung des Janus-Partikels entlang des Gradienten durch jeweils Thermophorese , Elektrophorese oder Diffusiophorese . Da die Janusteilchen Energie aus ihrer Umgebung verbrauchen (Katalyse chemischer Reaktionen, Lichtabsorption usw.), stellt die resultierende Bewegung einen irreversiblen Prozess dar und die Teilchen geraten aus dem Gleichgewicht.

  • Das erste Beispiel für ein künstliches SPP im Nano- oder Mikrometerbereich war ein von Sen und Mallouk entwickelter Gold-Platin-Bimetall-Nanostab . In einer Lösung von Wasserstoffperoxid würde dieser "Nanomotor" eine katalytische Oxidations-Reduktions-Reaktion zeigen, wodurch durch Selbstdiffusion eine Flüssigkeitsströmung entlang der Oberfläche induziert wird. Ein ähnliches System verwendet einen Kupfer-Platin-Stab in einer Bromlösung.
  • Ein weiteres Janus SPP wurde entwickelt, indem die Hälfte einer Polystyrolkugel mit Platin beschichtet wurde. Diese wurden verwendet, um die Bewegung von katalytischen Motoren zu lenken, wenn sie sich in der Nähe einer festen Oberfläche befanden. Diese Systeme waren in der Lage, die aktiven Kolloide unter Verwendung geometrischer Beschränkungen zu bewegen.
  • Ein weiteres Beispiel für ein Janus-SPP ist ein metallorganischer Motor, der eine Gold-Siliciumdioxid-Mikrokugel verwendet. Der Grubb-Katalysator war an die Siliciumdioxid-Hälfte des Partikels gebunden und würde in Monomerlösung eine katalytische Polymerisation antreiben. Der resultierende Konzentrationsgradient über die Oberfläche würde den Motor in Lösung bringen.
  • Ein weiteres Beispiel für ein künstliches SPP sind Platin-Spinner-Mikropartikel, die basierend auf ihrer Form und Symmetrie steuerbare Rotationen aufweisen.
  • Mehrere andere Beispiele werden auf der Nanomotor- spezifischen Seite beschrieben.

Walking Grains sind eine typische Realisierung trockener SPP: Die Grains sind millimetergroße Scheiben, die auf einer vertikal schwingenden Platte sitzen, die als Energie- und Impulsquelle dient. Die Scheiben haben zwei unterschiedliche Kontakte ("Füße") mit der Platte, einen harten nadelartigen Fuß vorne und einen großen weichen Gummifuß hinten. Beim Schütteln bewegen sich die Scheiben in eine Vorzugsrichtung, die durch die polare (Kopf-Schwanz-)Symmetrie der Kontakte definiert ist. Dies führt zusammen mit dem Vibrationsrauschen zu einem anhaltenden Random Walk.

Symmetriebrechung

Symmetriebrechung ist eine notwendige Bedingung für SPPs, da es eine Vorzugsrichtung für die Bewegung geben muss. Die Symmetriebrechung darf jedoch nicht allein von der Struktur selbst herrühren, sondern von deren Wechselwirkung mit elektromagnetischen Feldern, insbesondere unter Berücksichtigung von Verzögerungseffekten. Dies kann für die phototaktische Bewegung selbst hochsymmetrischer Nanopartikel genutzt werden. Im Jahr 2020 wurde theoretisch gezeigt, dass selbst zufällig orientierte symmetrische Partikel (in diesem Fall Nanodimere) eine durchschnittliche thermophoretische Kraft ungleich null erfahren können, wenn sie aus einer bestimmten Richtung beleuchtet werden. Im Jahr 2021 wurde experimentell gezeigt, dass vollständig symmetrische Partikel (in diesem Fall kugelförmige Mikroschwimmer) eine Netto-Thermophoresekraft erfahren, wenn sie aus einer bestimmten Richtung beleuchtet werden.

Wirbel

Im Jahr 2020 berichteten Forscher der University of Leicester über einen bisher nicht erkannten Zustand selbstangetriebener Teilchen – den sie als „Wirbelzustand“ bezeichneten. Der Swirlon-Zustand besteht aus "Wirbeln", die aus Gruppen von selbstangetriebenen Teilchen gebildet werden, die einen gemeinsamen Massenschwerpunkt umkreisen. Diese Quasiteilchen zeigen ein überraschendes Verhalten: Bei einer äußeren Belastung bewegen sie sich mit konstanter Geschwindigkeit proportional zur aufgebrachten Kraft, genau wie Objekte in viskosen Medien. Wirbel ziehen sich gegenseitig an und verschmelzen zu einem größeren, gemeinsamen Wirbel. Die Koaleszenz ist ein extrem langsamer, verlangsamender Prozess, der zu einem vereinzelten Zustand unbeweglicher Quasiteilchen führt. Neben dem wirbelnden Zustand wurden in Abhängigkeit von den interpartikulären und selbstantreibenden Kräften gasförmige, flüssige und feste Zustände beobachtet. Im Gegensatz zu molekularen Systemen existieren flüssige und gasförmige Zustände von selbstangetriebenen Teilchen nicht nebeneinander.

Typisches kollektives Verhalten

Eine typische kollektive Bewegung umfasst im Allgemeinen die Bildung von selbstorganisierten Strukturen, wie beispielsweise Clustern und organisierten Versammlungen.

Das prominenteste und spektakulärste auftretende großräumige Verhalten, das in SPP- Ansammlungen beobachtet wird, ist die gerichtete kollektive Bewegung . In diesem Fall bewegen sich alle Teilchen in die gleiche Richtung. Darüber hinaus können räumliche Strukturen wie Bänder, Wirbel, Astern, bewegte Cluster entstehen.

Eine weitere Klasse von in großem Maßstab Verhalten, das sie nicht gerichtete Bewegung implizieren ist entweder die spontane Bildung von Clustern oder die Trennung in einem gasartigen und ein flüssigkeitsähnlichen Phase, ein unerwartetes Phänomen , wenn das SPP rein repulsive Wechselwirkung hat. Diese Phasentrennung wurde Motilitätsinduzierte Phasentrennung (MIPS) genannt.

Beispiele für die Modellierung

Die Modellierung von SPP wurde 1995 von Tamás Vicsek et al. als Sonderfall des 1986 von Reynolds eingeführten Boids- Modells . In diesem Fall sind die SPP Punktteilchen, die sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegen. und übernehmen (bei jedem Zeitinkrement) die durchschnittliche Bewegungsrichtung der anderen Partikel in ihrer lokalen Nachbarschaft bis hin zu etwas zusätzlichem Rauschen.

Externes Video
Videosymbol Interaktive Simulation des SPP-Modells
– benötigt Java

Simulationen zeigen, dass eine geeignete "Nearest Neighbour Rule" schließlich dazu führt, dass alle Teilchen zusammenschwärmen oder sich in die gleiche Richtung bewegen. Dies tritt auf, obwohl es keine zentrale Koordination gibt und sich die Nachbarn für jedes Teilchen im Laufe der Zeit ständig ändern (siehe interaktive Simulation im Kasten rechts).

Seitdem wurde eine Reihe von Modellen vorgeschlagen, die von einfachen sogenannten Active Brownian Particles bis hin zu hoch entwickelten und spezialisierten Modellen reichen, die darauf abzielen, spezifische Systeme und Situationen zu beschreiben. Unter den wichtigen Zutaten in diesen Modellen kann man aufzählen

  • Eigenantrieb : Ohne Interaktion konvergiert die SPP-Geschwindigkeit auf einen vorgegebenen konstanten Wert
  • Körperwechselwirkungen: Die Teilchen können wie im Vicsek-Modell als Punkte (keine Körperwechselwirkung) betrachtet werden. Alternativ kann man ein Wechselwirkungspotential einschließen, entweder anziehend oder abstoßend. Dieses Potential kann isotrop sein oder nicht kugelförmige oder längliche Partikel beschreiben.
  • Körperorientierung: Für Partikel mit einer körperfesten Achse kann man zusätzliche Freiheitsgrade zur Beschreibung der Körperorientierung einbeziehen. Die Kopplung dieser Körperachse mit der Geschwindigkeit ist eine zusätzliche Option.
  • Wechselwirkungsregeln ausrichten: Im Geiste des Vicsek-Modells richten benachbarte Teilchen ihre Geschwindigkeiten aus. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass sie ihre Orientierungen ausrichten.

Man kann auch wirksame Einflüsse der Umgebung einbeziehen; zum Beispiel kann die Nenngeschwindigkeit des SPP abhängig von der lokalen Dichte eingestellt werden, um Verdrängungseffekte zu berücksichtigen.

Selbstangetriebene Partikel können auch mit Hilfe von Gittermodellen modelliert werden, die den Vorteil haben, dass sie einfach und effizient simuliert und in manchen Fällen einfacher mathematisch analysiert werden können. Auf-Gitter-Modelle wie BIO-LGCA- Modelle wurden verwendet, um physikalische Aspekte von selbstangetriebenen Teilchensystemen (wie Phasenübergänge und Musterbildungspotential) sowie spezifische Fragen im Zusammenhang mit realen aktiven Materiesystemen (z die zugrunde liegenden biologischen Prozesse, die an der Tumorinvasion beteiligt sind).

Einige Anwendungen auf reale Systeme

Heuschreckennymphe
Externes Video
Videosymbol Marschierende Heuschrecken
– 6-fach beschleunigt

Wenn die Heuschreckendichte einen kritischen Punkt erreicht, marschieren sie ohne Richtungsumkehr stetig zusammen.

Marschierende Heuschrecken

Junge Wüstenheuschrecken sind Einzelgänger und flügellose Nymphen . Wenn die Nahrung knapp wird, können sie sich versammeln und beginnen, benachbarte Gebiete zu besetzen und mehr Heuschrecken zu rekrutieren. Schließlich können sie zu einer marschierenden Armee werden, die sich über viele Kilometer erstreckt. Dies kann der Auftakt für die Entwicklung der riesigen fliegenden erwachsenen Heuschreckenschwärme sein, die die Vegetation auf kontinentaler Ebene verwüsten.

Eine der wichtigsten Vorhersagen des SPP-Modells ist, dass mit zunehmender Bevölkerungsdichte einer Gruppe ein abrupter Übergang von relativ ungeordneten und unabhängigen Bewegungen innerhalb der Gruppe zu einer Gruppe, die sich als hochgradig ausgerichtetes Ganzes bewegt, stattfindet. So sollte bei jungen Wüstenheuschrecken ein Triggerpunkt eintreten, der desorganisierte und verstreute Heuschrecken in eine koordinierte Marscharmee verwandelt. Wenn die kritische Populationsdichte erreicht ist, sollten die Insekten stabil und in die gleiche Richtung gemeinsam marschieren.

Im Jahr 2006 untersuchte eine Gruppe von Forschern, wie sich dieses Modell im Labor behauptet. Heuschrecken wurden in einer kreisförmigen Arena platziert und ihre Bewegungen wurden mit Computersoftware verfolgt. Bei geringer Dichte, unter 18 Heuschrecken pro Quadratmeter, wälzen sich die Heuschrecken ungeordnet umher. Bei mittlerer Dichte beginnen sie sich in eine Linie zu bringen und gemeinsam zu marschieren, unterbrochen von abrupten, aber koordinierten Richtungsänderungen. Als die Dichten jedoch einen kritischen Wert von etwa 74 Heuschrecken/m 2 erreichten , hörten die Heuschrecken auf, schnelle und spontane Richtungsänderungen zu machen, und marschierten stattdessen während der vollen acht Stunden des Experiments stetig in dieselbe Richtung (siehe Video links). . Dies bestätigte das von den SPP-Modellen vorhergesagte Verhalten.

Auf dem Feld beträgt die durchschnittliche Dichte der Blaskapellen nach Angaben der Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen 50 Heuschrecken/m 2 (50 Millionen Heuschrecken/km 2 ), mit einem typischen Bereich von 20 bis 120 Heuschrecken/m 2 . Die oben diskutierten Forschungsergebnisse zeigen die dynamische Instabilität, die bei den feldtypischen niedrigeren Heuschreckendichten vorhanden ist, bei denen marschierende Gruppen zufällig die Richtung wechseln, ohne dass externe Störungen auftreten. Dieses Phänomen zu verstehen, zusammen mit der Umstellung auf vollständig koordiniertes Marschieren bei höheren Dichten, ist unerlässlich, wenn das Schwärmen von Wüstenheuschrecken kontrolliert werden soll.

Vogellandungen

Vogelschwärme können abrupt ihre Richtung ändern und dann ebenso plötzlich eine einstimmige Gruppenentscheidung treffen, um zu landen

Schwärmende Tiere wie Ameisen, Bienen, Fische und Vögel werden oft beobachtet, wie sie plötzlich von einem Zustand in einen anderen wechseln. Vögel wechseln beispielsweise abrupt von einem Flugzustand in einen Landezustand. Oder Fische wechseln vom Schwarm in eine Richtung zum Schwarm in eine andere Richtung. Solche Zustandswechsel können mit erstaunlicher Geschwindigkeit und Synchronität erfolgen, als ob alle Mitglieder der Gruppe gleichzeitig eine einstimmige Entscheidung getroffen hätten. Phänomene wie diese haben Forscher lange Zeit verwirrt.

2010 verwendeten Bhattacharya und Vicsek ein SPP-Modell, um zu analysieren, was hier passiert. Als Paradigma betrachteten sie, wie fliegende Vögel zu einer kollektiven Entscheidung für einen plötzlichen und synchronisierten Landungswechsel kommen. Die Vögel, wie die Stare im Bild rechts, haben keinen Entscheidungsträger, aber der Schwarm weiß genau, wie man einheitlich landet. Die Notwendigkeit für die Gruppe, an Land zu gehen, überschreibt abweichende Absichten einzelner Vögel. Das Partikelmodell ergab, dass die kollektive Verschiebung zur Landung von Störungen abhängt, die auf die einzelnen Vögel zutreffen, beispielsweise wo sich die Vögel im Schwarm befinden. Es ist ein Verhalten, das mit dem Lawinenabgang von Sand verglichen werden kann, wenn er aufgeschüttet wird, bevor symmetrische und sorgfältig platzierte Körner Lawinen würden, weil die Schwankungen zunehmend nichtlinear werden.

"Unsere Hauptmotivation war es, etwas Rätselhaftes und da draußen in der Natur besser zu verstehen, insbesondere in Fällen, in denen ein kollektives Verhaltensmuster in einer Gruppe von Menschen oder Tieren gestoppt oder gestartet wird ... Wir schlagen ein einfaches Modell für ein System vor, dessen Mitglieder haben die Tendenz, den anderen sowohl im Raum als auch in ihrem Geisteszustand bei der Entscheidung über die Beendigung einer Aktivität zu folgen. Dies ist ein sehr allgemeines Modell, das auf ähnliche Situationen angewendet werden kann." Das Modell könnte auch auf einen Schwarm unbemannter Drohnen angewendet werden , um eine gewünschte Bewegung in einer Menschenmenge auszulösen oder um Gruppenmuster beim Kauf oder Verkauf von Aktien zu interpretieren.

Andere Beispiele

SPP-Modelle wurden in vielen anderen Bereichen angewendet, wie z. B. bei Fischschwärmen , Roboterschwärmen , molekularen Motoren , der Entwicklung von Menschenmassen und der Entwicklung von menschlichen Spuren in städtischen Grünflächen. SPP in Stokes-Strömungen , wie Janus-Partikel , werden oft durch das Squirmer- Modell modelliert.

Siehe auch

Verweise

Weitere Referenzen

Externe Links