如何无大脑游泳

即便没有中央控制系统也能成功运动

"简单的微生物可以被想象成由几个部分组成，有点像一串珍珠，" 当前出版物的第一作者、维也纳工业大学理论物理研究所和塔夫茨大学艾伦探索中心的 Benedikt Hartl 说道。"各个部分可以相对彼此移动。我们想知道：在什么情况下，这种运动会促使整个生物体朝期望的方向移动？"

如果存在一个中央控制系统——类似于大脑或至少一个神经中枢——这就相对简单。这样的中枢可以向各个部分发出特定指令。很容易理解这如何能产生协调的运动。

但单细胞生物自然没有神经细胞，没有可以发出指令的中枢处理系统。在这种情况下，协调的游泳运动是如何产生的呢？如果微生物的各个部分都遵循非常简单的规则行为，这能否产生导致高效游泳的集体行为？

在计算机上模拟微生物

这个问题通过计算机模拟进行了研究：微生物被建模为相互连接的珠子链。每颗珠子都可以向左或向右施加力，但每颗珠子只知道其紧邻珠子的位置。它不了解生物体的整体状态或更远处珠子的情况。

"现在的关键问题是：是否存在一个控制系统，一套简单的规则，一种每颗珠子可以单独遵循的行为策略，从而在没有中央控制单元的情况下产生集体的游泳运动？" Benedikt Hartl 说。

在计算机上，Hartl 解释道，这些单独的珠子——虚拟微生物的模拟部分——被配备了一种非常简单形式的"人工智能"，一个仅有 20 到 50 个参数的微型神经网络："在这个语境下，'神经网络'这个词可能有些误导；当然，单细胞生物没有神经元。但这种简单的控制系统可以在细胞内实现，例如，通过非常简单的物理化学回路，使微生物的特定区域执行特定的运动。"

如今，这种简单的去中心化控制系统被适配到计算机上，以寻找可能产生最佳游泳行为的最有效的'控制代码'。使用该控制系统的每个版本，让虚拟微生物在模拟的黏性流体中游泳。

"我们能够证明，这种极其简单的方法足以产生高度鲁棒的游泳行为，" Benedikt Hartl 说。"尽管我们的系统没有中央控制，并且虚拟微生物的每个部分都按照非常简单的规则行为，但总体结果是足以实现高效运动的复杂行为。"

生物学与技术

这一结果不仅因为解释了非常简单的生物系统的复杂行为而有趣，它也可能对人工制造的纳米机器人具有重要意义："这意味着也有可能创造出可以用非常简单的编程执行复杂任务的人工结构，" Andreas Zöttl（维也纳大学）说。"例如，可以设想建造能主动搜寻水中石油污染并帮助清除的纳米机器人。甚至是可以在体内自主移动到特定位置以靶向释放药物的医用纳米机器人。"