如何在没有大脑的情况下游泳？

Neuroevolution of decentralized decision-making in -bead swimmers leads to scalable and robust collective locomotion

维也纳工业大学、维也纳大学和美国塔夫茨大学的一个研究小组证明，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，还可能使纳米机器人有目的地移动，例如将药物输送到体内的正确位置。

　　

细菌可以做到，变形虫可以做到，甚至血细胞也可以做到：它们都有能力在液体中有目的地移动。尽管它们的结构极其简单，没有中央控制系统（如大脑），但它们却能做到这一点。这该如何解释呢？维也纳工业大学、维也纳大学和美国塔夫茨大学的一个研究小组在计算机上模拟了这种运动，并证明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，还可能使纳米机器人有目的地移动，例如将药物输送到体内的正确位置。

没有中央控制系统也能成功
“简单的微生物可以想象成由几个部分组成，有点像一串珍珠，” 维也纳工业大学理论物理研究所和塔夫茨大学艾伦发现中心的Benedikt Hartl说，他是当前这篇论文的第一作者。“各个部分可以相对移动。我们想知道：在什么情况下，这会导致整个生物体向所需的方向移动？”

如果有一个中央控制系统 —— 比如大脑或至少是神经中枢，这就相对简单了。这样的中枢可以向各个部分发出特定的指令。很容易理解这是如何导致协调运动的。

但单细胞生物自然没有神经细胞，没有可以发出指令的中央处理系统。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按照非常简单的规则行事，这能否导致集体行为，从而实现有效的游泳

在计算机上模拟微生物
这个问题是通过计算机模拟来研究的：微生物被建模为相互连接的珠子链。每个珠子可以向左或向右施加力，但每个珠子只知道其直接邻居的位置。对生物体的整体状态或更远的珠子一无所知。

“现在关键的问题是：是否存在一个控制系统，一套简单的规则，一种每个珠子都可以单独遵循的行为策略，从而在没有任何中央控制单元的情况下产生集体游泳运动？” Benedikt Hartl说。

Hartl解释说，在计算机上，各个珠子 —— 虚拟微生物的模拟部分 —— 配备了一种非常简单的人工智能形式，一个只有 20 到 50 个参数的微型神经网络：“在这种情况下，‘神经网络’这个术语可能有点误导；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进行特定的运动。”

现在，这个简单的分散控制系统已经在计算机上进行了调整，以寻找可能产生最佳游泳行为的最有效的 “控制代码”。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按照非常简单的规则行事，但总体结果是复杂的行为，足以实现有效的运动。”

生物学和技术
这一结果不仅因为它解释了非常简单的生物系统的复杂行为而有趣，对于人工制造的纳米机器人也可能很有趣：“这意味着，也有可能创造出用非常简单的编程就能执行复杂任务的人工结构，”Andreas Zöttl（维也纳大学）说。“例如，可以想象制造纳米机器人，主动寻找水中的石油污染并帮助清除它。甚至是医疗纳米机器人，它们可以自主移动到体内的特定位置，有针对性地释放药物。”