自己推進粒子

ほとんどの動物はSPPと見なすことができる。動物は食物からエネルギーを得て、飛ぶことから這うことまで、さまざまな移動戦略を示す。これらのシステムにおける集団行動の最も顕著な例は、魚の群れ、鳥の群れ、羊の群れ、人間の群衆である。より小さなスケールでは、細胞や細菌もSPPとして扱うことができる。これらの生物システムは、化学誘引物質の存在に基づいて自ら推進することができる。さらに小さなスケールでは、分子モーターがATPエネルギーを方向性のある運動に変換する。最近の研究では、酵素分子も自ら推進することが示されている。^{[ 7 ]}さらに、酵素分子は基質濃度が高い領域に向かって優先的に移動することが示されており、^{[ 8 ] [ 9 ]}この現象は生きた酵素を分離するための精製技術として開発されている。^{[ 10 ]}さらに、マイクロ粒子、小胞、さらにはマクロスケールのシートでさえ、酵素で機能化されると自己推進することができる。^{[ 11 ]}酵素の触媒反応は、対応する基質勾配に基づいて粒子または小胞を誘導します。^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]}

湿式システムと乾式システムには違いがある。前者の場合、粒子は周囲の流体中を「泳ぐ」のに対し、後者の場合、粒子は基板上を「歩く」。

ナノモーターと呼ばれる活性コロイド粒子は、湿潤SPPの典型的な例です。ヤヌス粒子は、異なる物理的または化学的特性を持つ2つの異なる面を持つコロイド粒子です。^{[ 15 ]}この対称性の破れにより、環境（通常は周囲の溶液）を適切に調整することで、ヤヌス粒子の運動が可能になります。たとえば、ヤヌス粒子の2つの面は、温度、電場、または化学種の濃度の局所的な勾配を誘発することができます。^{[ 16 ] [ 17 ]}これにより、それぞれ熱泳動、電気泳動、または拡散泳動を介して、ヤヌス粒子が勾配に沿って運動します。^{[ 17 ]}ヤヌス粒子は環境からエネルギーを消費するため（化学反応の触媒作用、光吸収など）、結果として生じる運動は不可逆的なプロセスであり、粒子は平衡状態にありません。

• ナノメートルまたはミクロン スケールでの人工 SPP の最初の例は、Senと Mallouk によって開発された金-白金バイメタル ナノロッドでした。^{[ 18 ]}過酸化水素溶液中では、この「ナノモーター」は触媒酸化還元反応を示し、自己拡散泳動によって表面に沿って流体の流れを誘発します。同様のシステムでは、臭素溶液中の銅-白金ロッドが使用されました。^{[ 19 ]}最近の研究では、超音波を使用して、閉じ込められたマイクロ流体ノズルの下でこれらの活性ナノロッドの位置と向きを制御することが実証されました。^{[ 20 ]}
• 別のヤヌスSPPは、ポリスチレンビーズの半分を白金でコーティングすることによって開発されました。^{[ 2 ]}これらは、触媒モーターが固体表面に近づいたときにその動きを制御するために使用されました。これらのシステムは、幾何学的制約を使用して活性コロイドを移動させることができました。^{[ 21 ]}また、金属有機構造体（MOF）ベースのヤヌスマイクロモーターは、光駆動の活性コロイドとして機能し、自律的な推進が可能で、化学的に複雑な環境でリアルタイムの表面増強ラマンセンシングを可能にすることがわかりました。^{[ 22 ]}
• ヤヌス型SPPのもう1つの例は、金-シリカ微小球を使用した有機金属モーターです。^{[ 23 ]}グラブスの触媒は粒子のシリカ半分に結合しており、モノマー溶液中で触媒重合を駆動します。結果として生じる表面全体の濃度勾配が、溶液中のモーターを推進します。
• 人工SPPのもう1つの例は、形状と対称性に基づいて回転を制御できるプラチナスピナー微粒子である。^{[ 24 ] [ 25 ]}多方向磁場を利用することで、これらの粒子の軌道を特定のパターンに誘導することもできる。^{[ 26 ]}
• 別の例としては、自己推進運動を示す二相性ヤヌス油滴がある。^{[ 27 ]}
• ナノモーターに関するその他の例は、ナノモーター専用ページに記載されています。

ウォーキンググレインは、ドライSPPの典型的な実現例です。グレインは、垂直に振動するプレート上に置かれたミリメートルサイズのディスクで、プレートがエネルギーと運動量の源となります。ディスクはプレートと2つの異なる接触面（「足」）を持ち、前面には硬い針状の足、背面には大きな柔らかいゴム製の足があります。振ると、ディスクは接触面の極性（頭尾）対称性によって定義される優先方向に移動します。これに振動ノイズが加わることで、持続的なランダムウォークが発生します。^{[ 28 ]}

若いサバクトビバッタは単独行動で羽のない幼虫です。食料が不足すると集まって近隣地域を占拠し始め、さらに多くのバッタを補充します。最終的には何キロメートルにも及ぶ行進する軍隊になることがあります。^{[ 48 ]}これは、大陸規模で植生を壊滅させる巨大な成虫の飛翔バッタの大群の発生の前兆となる可能性があります。^{[ 49 ]}

SPPモデルの重要な予測の1つは、集団の個体密度が増加するにつれて、集団内で比較的無秩序で独立した動きをする個体から、高度に整列した全体として動く集団へと急激な変化が起こるというものである。 ^{[ 50 ]}したがって、若いサバクトビバッタの場合、無秩序で分散したバッタが協調して行進する軍隊に変わるトリガーポイントが発生するはずである。臨界個体密度に達すると、昆虫は安定した方法で同じ方向に一緒に行進し始めるはずである。

2006年、研究者グループは、このモデルが実験室でどのように機能するかを検証した。バッタを円形のアリーナに入れ、コンピュータソフトウェアでその動きを追跡した。密度が低い場合、つまり1平方メートルあたり18匹以下の場合、バッタは無秩序にうろついていた。中程度の密度になると、バッタは一列に並び、一緒に歩き始め、急激だが協調的な方向転換を繰り返すようになった。しかし、密度が約74匹/平方メートルの臨界値に達すると^、バッタは急速で自発的な方向転換をやめ、代わりに実験の8時間の間ずっと同じ方向に着実に歩き続けた。

これはSPPモデルによって予測された挙動を裏付けるものであった。^{[ 1 ]}

国連食糧農業機関によると、現地では、行進するバッタの群れの平均密度は 50 匹/m ² (5000 万匹/km ² ) で、典型的な範囲は 20 ～ 120 匹/m ²である。^{[ 49 ] : 29}上記の研究結果は、現地で典型的な低いバッタ密度で存在する動的な不安定性を示しており、行進する群れは外部からの擾乱なしにランダムに方向転換する。この現象と、高密度での完全に協調した行進への切り替えを理解することは、砂漠バッタの大群を制御するために不可欠である。^{[ 1 ]}

アリ、ハチ、魚、鳥などの群れをなす動物は、ある状態から別の状態に突然切り替わる様子がよく観察される。例えば、鳥は突然飛行状態から着陸状態に切り替わったり、魚は群れをなす方向を一方から他方へと切り替えたりする。このような状態の切り替えは、まるで群れのすべてのメンバーが同時に満場一致で決定したかのように、驚くべき速さと同期性で起こることがある。このような現象は、長年にわたり研究者を悩ませてきた。^{[ 52 ]}

2010年、BhattacharyaとVicsekはSPPモデルを用いて、ここで何が起こっているのかを分析した。彼らはパラダイムとして、飛んでいる鳥がどのようにして集団で突然かつ同期的に着陸するという決定に至るのかを考察した。右の画像にあるムクドリのような鳥には意思決定のリーダーはいないが、群れは統一された方法で着陸する方法を正確に知っている。集団が着陸する必要性は、個々の鳥の異なる意図を凌駕する。粒子モデルは、集団での着陸への移行は、鳥が群れの中でどこにいるかなど、個々の鳥に適用される摂動に依存することを発見した。^{[ 51 ]}これは、対称的で注意深く配置された砂粒が雪崩を起こす前の段階で、砂が積み上げられたときに雪崩を起こす様子と比較できる行動である。なぜなら、変動がますます非線形になるからである。^{[ 53 ]}

「私たちの主な動機は、特に人や動物の集団における集団行動パターンの停止や開始に関わる場合など、自然界に存在する不可解で不可解な現象をよりよく理解することでした。私たちは、活動を停止するという決定に関して、空間的にも精神状態においても他者に追随する傾向のあるシステムのための単純なモデルを提案します。これは非常に一般的なモデルであり、同様の状況に適用できます。」^{[ 51 ]}このモデルは、無人ドローンの群れ、人々の群衆における望ましい動きの開始、株式市場での株式の売買における集団パターンの解釈にも適用できます。^{[ 54 ]}

SPP モデルは、魚の群れ^{[ 55 ]} 、ロボット群^{[ 56 ]} 、分子モーター^{[ 57 ]}、人間の暴走の発生[ ⁵⁸ ]、都市の緑地における人間の足跡の進化^{[ 59 ]}など、他の多くの分野にも応用されています。ストークス流れにおける SPP は、ヤヌス粒子のように、スクワーマーモデルによってモデル^{化されること}がよくあります^{[ 60 ] 。}