长文翻译：通过限制引导自组织

作者：杨超月

长文翻译：通过限制引导自组织

导语

自组织是指大量个体相互作用自发涌现出大规模集群结构和模式的现象，具有整体大于其组成部分之和的特性。自组织现象存在于广泛的时空尺度，例如生命就是从无机物分子的集合中涌现。近年来科学家发现，可以通过限制自组织单元的方法影响甚至控制自组织过程。限制可以作为一种工具，通过利用自组织系统与其限制特性之间的反馈控制策略，引导集群现象的涌现。本文综述了通过限制引导自组织这一活跃的跨学科领域，并指出其面临的重要研究挑战。

研究领域：自组织，群体行为，涌现

Nuno Araújo et al.| 作者

刘泽| 译者

梁金| 审校

邓一雪| 编辑

长文翻译：通过限制引导自组织

论文题目：

Steering self-organisation through confinement

论文链接：

摘要

自组织（self-organisation）是一种由小型个体单元在时空结构上彼此交互从而自发产生的涌现（emergence）行为。在不同的多尺度系统与科学学科都可以找到自组织的相关例子，如物理学、材料学、机器人学、生物学以及地球物理学与天文学。当下研究的重点是如何通过限制（confinement）来影响与控制自组织行为。限制产生于与边界的相互作用中，并能对自组织行为产生促进或者抑制的功能，这将成为在时空中促进涌现行为产生或者抑制群集现象的新方法。在此，我们提出了一种针对未来相关研究的通用架构，并检验了限制在自组织中的作用，同时指出，解决限制在科学原理方面的重大挑战将有巨大科技潜力。这个通用的架构不但可以更快地加深人们对自组织的认识，而且可以促进产生创新的方法用限制来引导自组织。例如，在机敏材料的研制、生物医学中的组织工程，及群体管理中该架构都能产生重要作用。

1. 自组织及限制方法介绍

从分子聚集[1]到动物群体[2]或是人类群体[3,4]，从微泳粒子（microswimmers）[5]到微粒材料[6]与机器人集群[7]，在广泛的时空尺度中都可以找到自组织系统的例子[8,9]。作为现代研究的一个领域，自组织的相关理念在20世纪就已经崭露头角[10]，其定义为，在时空中由于许多个体的相互作用，从而自发产生具有大规模集群结构和模式的涌现行为[8，9]，例如分子、胶粒、细胞、动物、机器人、行人甚至天体都可能产生自组织行为。这些个体在尺寸、形状、结构与功能高度不同（在生物系统中这是常见的），或是高度相同（在典型的合成系统）。这些个体可能十分活跃（例如分子马达（molecular motors）、细胞、动物、行人）或者不活跃（例如胶体、微粒物质、行星），这取决于它们是否可以将有效能转换为做功。

自组织有两个关键点值得重点介绍：第一，自组织结构的尺寸远远大于其组成单元的尺寸。第二，自组织结构产生了远超其组成单元的性能和功效。在大规模集群中出现的非平凡、非简单叠加的特点是自组织课题如此吸引人的原因。一方面，它捕捉了复杂行为如何从简单个体发展与演化得到的，例如，生命本身就从无机物分子的集合中涌现[11]。另一方面，这为材料科学家和系统科学家提供了灵感，他们旨在模仿这种自发的复杂性，用来提高人工材料与设备[12]。

近年来，显而易见的是，可以通过限制单元的方法影响甚至控制自组织过程（图1）。这些限制行为可能来自表面、界面、场、势能、流，甚至在动物群体或人群动力学中来自无形的心理因素。[13] 因此，我们可以将自组织中的限制定义为：在给定时刻，导致个体限制在特定区域，导致涌现或者抑制集群的几乎任何事物。受限制性影响的自组织系统的种类很多，其尺度规模跨越的范围十分巨大（图2），从活细胞内被分子马达驱动的丝状体（filament）[14]，到被地球大气圈限制的宏观相干流结构的涌现[15]，再到黑洞引力拉扯下整个星系的形成[16]。虽然限制并不是系统形成自组织的必要条件[17]，但可以作为自组织的催化剂或者抑制剂发挥重要作用。从这个方面而言，限制在自组织中最有前途的应用之一，是作为研究人员或工程师手中的控制器，调节集群现象的涌现。如在表面分子传感器[18]、组织工程支架[19]、利用物理屏障管理人群策略[20]等设计中，都可以发现这一原理的应用。