一个团队能够展示，即使没有中央控制单元，游泳动作也是可能的。这不仅解释了微生物的行为，它还可能使纳米机器人能够以有针对性的方式移动，例如，将药物运输到身体的正确位置。
细菌可以这样做，变形虫可以这样做，甚至血细胞也可以这样做：它们都有能力在液体中有目标地移动。尽管它们的结构非常简单，没有中央控制系统（如大脑），但它们依然如此。这个现象怎么解释呢？维也纳科技大学、维也纳大学和塔夫茨大学（美国）的一个团队在电脑上模拟了这种类型的运动，并能够展示，即使没有中央控制单元，游泳运动也是可能的。这不仅解释了微生物的行为，它还可能使纳米机器人能够以有针对性的方式移动，例如，将药物运输到身体的正确位置。
即使没有中央控制系统也能成功
“简单的微生物可以想象为由多个部分组成，有点像一串珍珠，”维也纳科技大学理论物理研究所的Benedikt Hartl说，他是当前发表论文的主要作者。“这些单独的部分可以相对运动。我们想知道：在什么情况下，这会导致整个生物体朝着期望的方向移动？”
如果有中央控制系统——比如类似于大脑或至少一个神经中心——这就相对简单。这样的中心可以向各个部分发出具体命令。很容易理解这如何导致协调的运动。
但单细胞生物自然没有神经细胞，没有能发出命令的中央处理系统。那么在这种情况下，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根据非常简单的规则行动，这能否导致集体行为，从而实现高效游泳？
在计算机上模拟微生物
这个问题通过计算机模拟进行研究：微生物被建模为相互连接的珠子的链条。每个珠子可以施加一个向左或向右的力，但每个珠子只能知道其邻近珠子的位置。它对整个生物体或远处的珠子的整体状态没有任何了解。
“现在的关键问题是：是否有一个控制系统、一系列简单的规则、一个行为策略，让每个珠子可以单独遵循，从而产生集体游泳运动——没有任何中央控制单元？”Benedikt Hartl说。
在计算机上，单个珠子——虚拟微生物的模拟部分——配备了非常简单的人工智能形式，一个只有20到50个参数的小型神经网络，Hartl解释道：“在这个背景下，神经网络的术语可能有点误导；当然，一个单细胞生物没有神经元。但是，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-化学电路，使微生物的特定区域进行特定动作。”
这种简单的分散控制系统现在已被调整到计算机上，以寻找尽可能高效的“控制代码”，以产生最佳的游泳行为。在这个控制系统的每个版本中，虚拟微生物都被允许在模拟的粘性流体中游泳。
“我们能够证明，这种极其简单的方法足以产生高度稳健的游泳行为，”Benedikt Hartl说。“尽管我们的系统没有中央控制，虚拟微生物的每个部分都根据非常简单的规则行动，但整体结果是复杂的行为，足以实现高效的运动。”
生物学与技术
这一结果不仅有趣，因为它解释了非常简单生物系统的复杂行为，它对于人工制造的纳米机器人也可能有趣：“这意味着能够创建人工结构，能够通过非常简单的编程执行复杂的任务，”维也纳大学的Andreas Zöttl说。“例如，可以设想制造能够主动寻找水中油污染并帮助其去除的纳米机器人。甚至可以制造能够自主移动到体内特定位置以有针对性地释放药物的医疗纳米机器人。”
