具有速度对齐与视觉感知的自转向活性粒子的集体行为

群体形成与动力学在生命系统中广泛存在，从细菌生物膜到鱼群和鸟群。我们通过基于个体的模拟，在具有视觉感知诱导转向与对齐相互作用的活性布朗粒子模型中研究这种涌现的集体行为。这些智能活性布朗粒子(iABPs)所涌现的聚集体、簇和群体的动力学、形状及内部结构，由机动性 $\Omega_v$ 和 $\Omega_a$ 决定，它们分别量化基于视觉信号和极向对齐的转向，由 Péclet 数 $Pe$ 表征的推进速度、视觉角 $\theta$ 以及取向噪声。我们获得了多种非平衡动力学聚集体——如可动蠕虫状群体与 milling、密堆积或分散的簇。小视觉角意味着小簇的形成，而大视觉角导致更复杂的簇。特别地，强极向对齐机动性 $\Omega_a$ 有利于细长的蠕虫状群体，其较单个 ABP 在更长时间范围内展现超扩散运动；而强基于视觉的机动性 $\Omega_v$ 有利于紧凑、近乎不动的聚集体。群体轨迹呈现长持久定向运动，并被急转弯打断。当 $Pe$ 与视觉角处于中间区间时，出现蠕虫状群体咬住自身尾部的 milling 环。我们的结果为动物群体的行为提供了新见解，并为群体微机器人的设计提供了准则。