科學研究：複雜係統下的個體，如何自發變得有序？

實驗使用的smarticle機器人組。圖片來源：ThomasA.Berrueta
19世紀，科學家和工程師們發展了統計力學這一學科，對簡單粒子群如何在有序與無序間轉換做出預測，例如一群隨機碰撞的原子如何固定下來，形成結構均一的晶格。
更具有挑戰的是對更為複雜的粒子的集群行為進行預測。在該情況下，粒子會在自身能量驅動下運動。這種係統存在於鳥群、細菌群落和機器人群中，被稱為活性物質（active matter）。
據《科學》（Science）雜誌2021年1月報道，一個由物理學家和工程師組成的團隊提出了一條新的原理，可以描述活性物質係統可以自發變得有序，而不需要更高層次的指令，甚至不需要個體智能體（agents，指能自主活動的軟件或者硬件實體）之間的程序交互。該團隊已在多種係統中驗證了這一原理，包括被稱為智能活性粒子（smarticle）的周期性變形機器人組。
該理論的提出者Paval Chvykov當時是美國麻省理工學院（MIT）Jeremy England教授的博士生，現為佐治亞理工學院物理學院研究員的博士。他認為，某些在動力學上足夠混亂的活性物質將自發地發現研究人員所說的“低振動”狀態。
“振動是指物質吸收能量，並將其轉化為隨機運動。”England說，“當這種運動更劇烈或更隨機時，振動將變得更強烈。相反，低振動狀態要麽非常輕微，要麽非常有序，也可能同時具備這兩種特征。所以我們的想法是，如果物質和能量來源允許係統達到低振動狀態，整個係統將不斷隨機重新排列，直至達到這個低振動狀態並保持。如果你通過特定方式提供了能量，那麽對應的狀態將找到一種方式，指引物質的運動最終達到該狀態。”


圖片來源：Pixabay
為了進一步發展這一理論，England和Chvykov從19世紀末的瑞士物理學家Charles Soret發現的現象中得到了靈感。Soret在實驗中觀察到，將均勻的鹽溶液放於處於不同溫度區間的試管中，鹽會立即在低溫區聚集，表現為這一區域的鹽濃度增加。
Chvykov和England曾試圖開發多個數學模型來證明低振動理論，但直到聯係上佐治亞理工學院Dunn家族物理學教授Daniel Goldman，他們才成功驗證了假設。
Goldman說：“幾年前我看到England主講的一個研討會，那時我就想到我們的一些smarticle機器人或許能夠驗證這個理論。”兩位博士生William Savoie和Akash Vardhan與訪問Goldman實驗室的Chvykov博士合作，設計了將3個擺動的smarticle包裹在一個環中的實驗，與該理論進行對比。幾位博士生觀察到，機器人沒有表現出複雜的運動，也不會探索容器的各個角落，而是會自發組織，產生幾種舞蹈動作——比如其中的一支舞蹈是通過這三個機器人依次拍打彼此的手臂完成的。這些舞蹈能夠產生持續數百次的擺動，然後突然失去穩定性，繼而被另一種舞蹈形式所取代。
在首次證明這些簡單的舞蹈實質上是低振動狀態後，Chvykov博士與西北大學的工程師Todd Murphey教授以及博士生Thomas Berrueta取得合作。該團隊曾開發出更為精細、可控性更高的smarticle。這種更高級的smarticle能夠允許研究者測試理論的局限性，包括舞蹈的類型和數量如何因不同的手臂擺動模式而發生變化，以及如何控製這些舞蹈。“通過控製低振動狀態的序列，我們能夠使係統達到能做有用工作的狀態”，Berrueta說。西北大學的研究人員表示，這些發現可能對於微型機器人群、活性物質和超材料（meta materials）具有廣泛的實用意義。


圖片來源：Pixabay
England指出：“對於機器人群體來說，即使單個機器人相對便宜且計算簡單，也可以在一個群體中實現許多自適應和智能群體行為。對於活細胞和新型材料研究來說，在新材料或計算屬性方麵，這可能有助於理解原子或蛋白質‘群體’能為你帶來什麽。”
翻譯：謝一璿
審校：戚譯引
引進來源：佐治亞理工學院
引進鏈接：https://eurekalert.org/pub_releases/2020-12/giot-srd122320.php


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