Los investigadores de LMU han desarrollado un nuevo modelo para describir cómo los sistemas biológicos o técnicos forman estructuras complejas sin una guía externa.

Las amebas son organismos unicelulares. Por medio de la autoorganización, pueden formar estructuras complejas, y lo hacen puramente a través de interacciones locales: si tienen mucha comida, se dispersan uniformemente a través de un medio de cultivo. Pero si la comida escasea, emiten el mensajero conocido como monofosfato de adenosina cíclico (AMPc). Esta señal química induce a las amebas a reunirse en un solo lugar y formar una agregación multicelular. El resultado es un cuerpo fructífero.

«El fenómeno es bien conocido», dice el profesor Erwin Frey de la Facultad de Física de LMU. «Hasta ahora, sin embargo, ningún grupo de investigación ha investigado cómo el procesamiento de la información, a nivel general, afecta la agregación de sistemas de agentes cuando los agentes individuales, en nuestro caso, las amebas, son autopropulsados». También sería interesante un mayor conocimiento sobre estos mecanismos, agrega Frey, en lo que respecta a traducirlos a sistemas técnicos artificiales.

Junto con otros investigadores, Frey describe en Nature Communications cómo se pueden usar los sistemas activos que procesan información en su entorno, para aplicaciones tecnológicas o biológicas. No se trata de comprender todos los detalles de la comunicación entre agentes individuales, sino de las estructuras específicas formadas a través de la autoorganización. Esto se aplica a las amebas, y también a ciertos tipos de robots. La investigación se llevó a cabo en colaboración con el Prof. Igor Aronson durante su estadía en LMU como ganador del Premio de Investigación Humboldt.

Del mecanismo biológico a la aplicación tecnológica

Antecedentes: El término «materia activa» se refiere a sistemas biológicos o técnicos a partir de los cuales se forman estructuras más grandes por medio de la autoorganización. Dichos procesos se basan en interacciones exclusivamente locales entre unidades autopropulsadas idénticas, como amebas o incluso robots.

Inspirándose en los sistemas biológicos, Frey y sus coautores proponen un nuevo modelo en el que los agentes autopropulsados ​​se comunican entre sí. Estos agentes reconocen señales químicas, biológicas o físicas a nivel local y toman decisiones individuales utilizando su maquinaria interna que resultan en una autoorganización colectiva. Esta orientación da lugar a estructuras más grandes, que pueden abarcar múltiples escalas de longitud.

El nuevo paradigma de comunicar materia activa forma la base del estudio. Las decisiones locales en respuesta a una señal y la transmisión de información conducen a una autoorganización controlada colectivamente.

Frey ve una posible aplicación del nuevo modelo en robots blandos, es decir, robots que están hechos de materiales blandos. Dichos robots son adecuados, por ejemplo, para realizar tareas en cuerpos humanos. Pueden comunicarse con otros robots blandos a través de ondas electromagnéticas para fines como la administración de medicamentos en sitios específicos del cuerpo. El nuevo modelo puede ayudar a los nanotecnólogos a diseñar tales sistemas de robots describiendo las propiedades colectivas de los enjambres de robots.

«Es suficiente entender aproximadamente cómo los agentes individuales se comunican entre sí; la autoorganización se encarga del resto», dice Frey. «Este es un cambio de paradigma específicamente en robótica, donde los investigadores intentan hacer precisamente lo contrario : quieren obtener niveles de control extremadamente altos». Pero eso no siempre se consigue. “Nuestra propuesta, en cambio, es explotar la capacidad de autoorganización”.