Des oiseaux, les poissons et les bactéries se rassemblent souvent en groupes ou en essaims. Ce comportement dit collectif oblige tous les membres du groupe à adapter continuellement et réciproquement leurs mouvements. Cela peut être une tâche difficile, cependant, pour les chercheurs de déterminer les stimuli environnementaux spécifiques auxquels les individus répondent dans le contexte de leur groupe ; en plus des informations optiques et acoustiques, les résistances à l'écoulement ou les messagers chimiques peuvent également jouer un rôle. En concevant des expériences avec des micronageurs artificiels, des physiciens de l'université de Constance ont pu montrer que la formation de groupes stables ne nécessite que peu de compétences :perception visuelle vers l'avant sur de grandes distances et régulation de la vitesse en fonction du nombre d'individus perçus. En plus de mieux comprendre les phénomènes collectifs, leurs résultats peuvent également être utilisés pour la recherche sur les systèmes autonomes. Les résultats de leur étude ont été publiés dans le numéro actuel de la revue Science .

La capacité de se rassembler en essaims compacts ou en groupes est une compétence efficace qui permet aux individus d'échapper aux prédateurs, trouver de la nourriture ou parcourir efficacement de longues distances. Pour commencer à comprendre comment se forment les essaims, il faut répondre aux questions suivantes :Quelles informations un individu perçoit-il dans son environnement ? Et comment cet individu adapte-t-il alors son mouvement en réponse à de tels stimuli environnementaux ? Le modèle dit de Vicsek propose que les membres individuels du groupe ajustent leur direction de mouvement à celle des individus environnants. En outre, il doit y avoir une attirance entre les membres du groupe. Si l'une de ces deux conditions (orientation ou attraction) n'est pas remplie, l'essaim devient instable et se disperse.

Une règle plus simple et robuste

À la suite de leurs récentes expériences, Clemens Bechinger, professeur au Département de physique de l'Université de Constance, et ses collègues ont découvert une règle beaucoup plus simple et remarquablement robuste avec laquelle les individus forment spontanément un groupe stable :il suffit que les individus aient une vision prospective et à long terme, une capacité de base de nombreux organismes vivants. Chaque individu détermine le nombre de pairs visibles dans son propre champ de vision. Si ce nombre atteint une certaine valeur seuil, la particule commence à nager vers l'avant; sinon ses mouvements sont entièrement aléatoires. Ici, il n'est pas nécessaire que l'individu identifie les emplacements exacts de ses voisins. Il doit simplement les percevoir dans son champ de vision.

Au lieu de travailler avec des organismes vivants, les physiciens utilisent des micronageurs artificiels suspendus dans un liquide. Ceux-ci sont constitués de billes de verre de quelques micromètres de diamètre recouvertes sur une face d'une fine couche de carbone. En les éclairant avec un spot laser focalisé, le carbone absorbe la lumière, provoquant un échauffement inégal des billes. Le gradient de température génère un écoulement de fluide à la surface du cordon, qui se met à nager comme une bactérie. Cette situation est comparable à une hélice de navire en rotation, qui repousse l'eau, faisant ainsi avancer le navire.

Pour doter ces micronageurs d'un champ de vision, les chercheurs utilisent une astuce :à l'aide d'un ordinateur, les positions et orientations de toutes les particules de verre sont surveillées en permanence. Cela permet aux chercheurs de déterminer le nombre de voisins d'une particule dans une plage angulaire fixe, qui correspond au champ de vision de la particule. Si ce nombre dépasse une valeur seuil prescrite, un faisceau laser focalisé éclaire brièvement la particule respective, l'amenant à effectuer un mouvement de nage. Si, cependant, le nombre de particules reste inférieur à la valeur seuil, la particule correspondante n'est pas éclairée par un faisceau laser, permettant à la particule de subir des mouvements non dirigés et diffusifs. Étant donné que ce processus est effectué plusieurs fois par seconde, chaque micronageur est amené à réagir de manière dynamique et continue aux moindres changements de son environnement, tout comme un poisson dans son banc. En utilisant cette procédure, les chercheurs ont observé que les particules formaient spontanément un essaim artificiel.

Les informations perçues peuvent être contrôlées de manière précise

En adaptant ces « organismes artificiels » à leurs fins de recherche, les physiciens sont non seulement capables de déterminer avec précision les informations que les membres individuels du groupe perçoivent dans leur environnement, ils peuvent également observer comment les changements de perception affectent leur comportement collectif. La modification soit de leur champ de vision, soit de leur seuil de perception modifie le niveau respectif de formation et de cohésion du groupe. Les physiciens ont ainsi créé des particules avec le large champ de vision des herbivores et ont constaté qu'elles ne restaient ensemble qu'en abaissant leur seuil de réaction. En d'autres termes, les herbivores doivent se surveiller de près pour rester dans leur groupe protecteur. Avec leur modèle simple, il est également expliqué comment la vision étroite des prédateurs est un avantage pour détecter la présence de proies sur de longues distances.

Une autre constatation importante de la recherche est que les individus grégaires, en principe, n'ont pas à adapter la direction de leur vitesse ou à recueillir des informations sur la vitesse de leurs voisins. Du point de vue du système de contrôle, ceci est extrêmement avantageux car des ressources sensorielles et cognitives minimales sont requises pour un tel comportement. Cet aspect pourrait également s'avérer utile pour de futures applications, où, par exemple, des millions de microrobots autonomes dotés d'une capacité de calcul limitée devraient effectuer des tâches complexes. Pour s'assurer que ces tâches sont exécutées avec succès, ils doivent être capables de s'organiser et de coordonner leur comportement. Ces capacités permettront également aux groupes de maîtriser les situations imprévues, comme lorsque des bancs de poissons réussissent à échapper à un attaquant.