De nombreuses espèces de poissons nagent en bancs et les oiseaux volent en groupes. Un tel comportement collectif doit résulter des interactions entre les animaux. Comment cela fonctionne était en grande partie peu clair. Maintenant, deux chercheurs de Wageningen fournissent des informations importantes sur le mécanisme derrière ce comportement. Marcel Workamp et ses collègues ont développé un système modèle dans lequel ils montrent expérimentalement que le comportement d'essaimage est principalement régi par la friction.

Le système modèle que le doctorant Marcel Workamp et Joshua Dijksman de la Wageningen University &Research ont développé avec des collègues de la North Carolina State University (Raleigh, NOUS), est fortement inspiré du jeu d'arcade 'air hockey'. En soufflant de l'air en continu à travers de petits trous dans la table, la rondelle en air hockey (l'oiseau) flotte sur la table sans subir de friction. Pour propulser la rondelle, les chercheurs ont ajouté des canaux de ventilation aux rondelles, de telle sorte que l'air provenant de la table à air entraîne chaque palet à tourner dans le même sens. Dans le système modèle, cette direction était dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.

Ce simple ajout conduit déjà à des comportements collectifs extraordinaires. Dijksman et ses collègues utilisent une table circulaire à laquelle ils ajoutent des quantités croissantes de rondelles qui tournent individuellement dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Grâce à l'analyse d'images, ils ont suivi la position de chaque rondelle avec précision.

Comme il s'avère, s'il n'y a que quelques rondelles, ils entrent principalement en collision avec le mur extérieur. Cela entraîne un mouvement global des rondelles, qui est dans le sens des aiguilles d'une montre. Au fur et à mesure que plus de particules sont ajoutées, une transition remarquable se produit :le mouvement collectif des rondelles change de sens. Ils se déplacent tous dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.

Ce comportement collectif résulte d'une collision entre les particules, dans lequel ils échangent l'énergie de leur rotation en énergie de mouvement. Cet échange ne peut avoir lieu que s'il y a un frottement suffisant entre les particules. Après tout, c'est alors que l'échange d'énergie est maximisé.

La friction améliore le comportement collectif

Pour améliorer encore la friction entre les rondelles, l'équipe de recherche a ajouté de petites « oreilles » aux rondelles en utilisant l'impression 3D. De cette façon, ils ont pu améliorer le comportement collectif. En ajoutant les oreilles, la quantité de particules nécessaire pour réaliser l'inversion du sens du mouvement diminue considérablement en ajoutant les oreilles. Sans ces oreilles qui améliorent la friction, plus de rondelles étaient nécessaires pour inverser la direction générale du mouvement.

Les observations démontrent que les particules individuelles dans le modèle, oiseaux dans un troupeau ou poissons dans un banc, peut afficher un comportement d'essaimage uniquement basé sur le frottement entre les particules, sans se "voir". Remarquablement, les particules actives se conforment également aux lois qui s'appliquent au passif, particules de gaz moléculaire dans un nuage de gaz, dans laquelle les particules, entraîné par la température, aussi afficher un comportement collectif. Le système modèle de Dijksman montre ainsi qu'un comportement collectif peut être obtenu avec peu d'ingrédients. Par conséquent, la recherche n'est pas seulement pertinente pour comprendre le comportement d'essaimage chez les animaux, mais aussi pour le développement de nouveaux matériaux dans lesquels l'activité de particules individuelles pourrait conduire à de nouvelles propriétés matérielles.