Kollektive Bewegung ist in der Natur weit verbreitet, beispielsweise in Tiergruppen oder auch in Menschenmengen. Wenn alle Individuen genau denselben Bewegungsregeln folgen, ist die kollektive Bewegung vergleichsweise robust. Kollektive bestehen jedoch selten aus identischen Akteur*innen, da sich die individuellen Verhaltensweisen in ihrer Stärke oder sogar in ihrer Absicht unterscheiden können. Wissenschaftler*innen am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation (MPI-DS) untersuchten, wie solche Abweichungen das resultierende kollektive Verhalten beeinflussen.
Ihre erste Studie konzentriert sich auf verschiedene Arten von Akteuren, die auf ähnliche Weise interagieren, wenn auch mit ungleicher Stärke. Die Wissenschaftler*innen fanden heraus, dass eine solche schwache Nicht-Reziprozität zu einer Sortierung der Population führen kann, obwohl sich die Akteure nicht gegenseitig abstoßen. „Bei geringen Asymmetrien in der Interaktion ordnet die Population ihre räumliche Struktur und Zusammensetzung neu, während sie sich weiterhin in dieselbe Richtung bewegt“, erklärt Benoît Mahault, Letztautor der Studien. Somit können bereits kleine Abweichungen in den Interaktionsmustern neue Strukturen in einem sich bewegenden Kollektiv entstehen lassen.
In einer zweiten Studie untersuchten die Forschenden, wie sich starke Nichtreziprozität auf die kollektive Bewegung auswirken kann. In diesem Szenario versucht Akteur A, sich an Akteur B auszurichten, während B jedoch A ausweicht. Infolgedessen können die beiden Populationen in einen verfolgungsähnlichen Rotationszustand übergehen. „Wir haben festgestellt, dass im Falle einer stark nichtreziproken Wechselwirkung die synchrone, geordnete Bewegung gegenüber spontanen Fluktuationen instabil ist“, fasst Charlotte Myin, Erstautorin der Studien, die Ergebnisse zusammen.
Das Zusammenspiel zwischen nichtreziproken Wechselwirkungen und kollektiver Bewegung führt somit zu einem neuen Regime des defektgetriebenen Chaos. „Topologische Defekte breiten sich aus und können die globale Ordnung destabilisieren, was zu starken Dichtefluktuationen führt“, beschreibt sie den Effekt.
Bemerkenswert ist, dass es sich bei diesen Effekten nicht um vorübergehende Störungen handelt, sondern dass sie kontinuierlich Störungen erzeugen, die sowohl die Bewegung als auch die Dichte des Kollektivs neugestalten. Diese Erkenntnisse können für die Beschreibung wandernder Gewebe, die verschiedene Zelltypen umfassen, oder für die Steuerung heterogener Roboterschwärme relevant sein. Die Ergebnisse helfen auch beim Verständnis der kollektiven Bewegung von Tiergruppen oder Fußgängermengen, bei denen die einzelnen Individuen oft konkurrierende Ziele oder unterschiedliche Rollen haben.
