如何在没有大脑的情况下游泳

无需中央控制系统亦可成功运动

"简单微生物可被视为由多个部分组成，类似于一串珍珠，" 当前论文的主要作者、维也纳工业大学理论物理研究所与塔夫茨大学艾伦探索中心的本尼迪克特·哈特尔解释道。"各部分能够相对运动。我们想要探究：在何种条件下，这种运动会促使整个生物体朝期望方向移动？"

若存在中央控制系统（如大脑或至少一个神经中枢），这种运动相对简单。此类控制中心可向各个部分发出特定指令，从而产生协调运动的过程易于理解。

但单细胞生物天然不具备神经细胞或能发布指令的中枢处理系统。在此情况下，如何产生协调的游动运动？若微生物各组成部分均遵循极简规则行事，能否形成集体行为以实现高效游动？

计算机模拟的微生物

该问题通过计算机模拟进行研究：微生物被建模为互连珠链。每颗珠子可向左或向右施加作用力，但每颗珠子仅知晓其相邻珠子的位置，无法获知生物体整体状态或远端珠子的信息。

本尼迪克特·哈特尔提出关键问题："是否存在一种控制系统——即每颗珠子可独立遵循的简单规则集或行为策略——能在无中央控制单元的情况下，催生集体游动行为？"

哈特尔解释道，在计算机模拟中，这些虚拟微生物的组成单元（单珠）配备了极简形式的人工智能——仅含20至50参数的微型神经网络。"在此语境下使用'神经网络'一词可能略有误导，单细胞生物显然不具备神经元。但此类简易控制系统可在细胞内实现，例如通过物理化学回路触发微生物特定区域的定向运动。"

研究人员将此简单去中心化控制系统移植至计算机，以探寻能产生最优游动行为的最高效"控制代码"。每个版本的控制系统均驱动虚拟微生物在模拟粘性流体中游动。

"我们证实这种极简方法足以产生高度稳健的游动行为，" 本尼迪克特·哈特尔指出，"尽管系统不存在中央控制，虚拟微生物的每个区段仅遵循极简规则，最终却涌现出足以支撑高效运动的复杂行为。"

生物学与技术应用

该成果不仅对解释简单生物系统的复杂行为具有理论价值，对人工纳米机器人也具实践意义。"这意味着通过极简编程即可构建执行复杂任务的人工结构，" 安德烈亚斯·泽特尔（维也纳大学）表示，"例如可设想制造能在水中主动搜寻油污并协助清除的纳米机器人，甚至研发能自主移动至体内特定位置精准释放药物的医用纳米机器人。"