论文题目：Diverse behaviors in non-uniform chiral and non-chiral swarmalators

论文来源：Nature Communications

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-36563-4

同步（synchronization，时间上的自组织）和集群（swarming，空间上的自组织）存在于许多自然和人工系统中。同步发生在闪烁的萤火虫、心肌细胞、神经元和鸣叫的蛙群中。另一方面，集群现象出现在响应外部信号而迁移的细胞集体、无缝改变集体飞行方向的鸟群，以及凝聚在一起并为集体利益而移动的鱼群。

同步和集群的组合也发生在不同的环境中，从生物微集体和化学微电机，到磁畴壁和无人机。尽管它无处不在，但对同步和集群之间的相互作用却缺乏理论上的理解。广义上讲，同步研究的重点是可能在时间上同步的振荡器，而不是在空间上的移动。集群研究则相反，它研究的是在空间中移动的单元，这些单元在空间上同步的变量，如方向，但在时间上没有内部相位变量。因此，同步和集群的相互作用定义了一种新的集体动力学，人们对此知之甚少。O'Keeffe 等人提出了 swarmalator 概念（又叫 swarming oscillators，集群振荡器）用于研究这种相互作用现象，这是一个广义的 Kuramoto 模型，其状态已在自然和人工微尺度集体中被观察到，现在正被扩展并在集群机器人中实现。

最新发表于 Nature Communications 的这篇文章，介绍了一种新的 swarmalators 模型，旨在全面地描绘该模型产生的涌现行为空间。在之前的研究中，为了简单起见，集群机器人是相同的、非手性的和全局耦合的。这篇放宽了这些理想化，并考虑到二维世界中的集群是不相同的（集群有不同的自然频率）、手性的（蜂群有固有的顺时针和逆时针圆形轨道）和局部耦合的（集群只能耦合到特定半径内的邻居的运动和相位）。这些放松都增强了模型对真实系统的描述能力。

这个更现实的模型产生了各种新的行为，包括旋涡格子、跳动的集群和相互作用的相位波。类似的行为在自然和人工微尺度集体系统中都有发现，包括社会性粘菌、精子涡流阵列（spermatozoa vortex arrays）和 Quincke rollers。这些研究结果表明，这个新模型未来的使用范围很广，既可以帮助表征和理解自然群落，也可以设计从软物质和活性物质，到微机器人的集体系统中的复杂互动关系。

图1. 空间-相位序参数。

图2. 具有自然频率分布的旋转集群。

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