Artificial and Intelligent Living Matter

Aktive Materie hat sich in den letzten zwei Dekaden zu einem der führenden Forschungsgebiet der statistischen Mechanik, der kondensierten Materie und der biologischen Physik entwickelt, das vor allem auch in die Nachbardisziplinen ausstrahlt. Herden von Tieren, Vogelschwärme, Kolonien von Ameisen, Bakterien im Mikrokosmos und künstliche Mikroschwimmer bewegen sich in koordinierter Weise, vermittelt durch hydrodynamische Wechselwirkungen, sterische Kräfte, chemische Felder, aber vor allem auch durch visuelle Wahrnehmung in der makroskopischen Welt.

Dieser Workshop, der vom 27. bis 30. Juni 2022 im Tagungszentrum Ettore Majorana in Erice (Sizilien) stattgefunden hat, hat den State of the Art des Feldes exemplarisch in eingeladenen Vorträgen und Kurzbeiträgen Revue passieren lassen. Insbesondere sind hier künstliche Fortbewegungsmechanismen zu nennen wie aktive Emulsionen und Janusteilchen, die durch die erzeugte anisotrope Umgebung angetrieben werden. Eine Vielzahl von kollektiven Bewegungsformen treten auf, in denen auch nicht-reziproke Wechselwirkungen eine wichtige Rolle spielen, die im Nichtgleichgewicht auftreten und nicht dem dritten Newtonschen Gesetz (actio = reactio) genügen. Neue Aspekte der aktiven Turbulenz unter geometrischer Einschränkung wurden diskutiert, also eine Turbulenz, die bei kleinen Reynolds-Zahlen ohne Trägheit und nur aufgrund der aktiven Spannungen auftritt. Die derzeit untersuchten Systeme werden komplexer. Dazu gehören Biofilme, ein Hybridmaterial aus Bakterien und Polymeren, und die Rheologie aktiver Suspensionen in viskoelastischen Flüssigkeiten, wie sie typischerweise in der Biologie auftreten.

Neuere, im Workshop diskutierte Entwicklungen im Experiment und in der Theorie verwenden soziale Wechselwirkungen, wie zum Beispiele Kräfte mit zeitlicher Retardierung oder ein eingeschränktes Blickfeld (vision cone), um die kollektive Bewegung in belebter Natur mit künstlichen Mikroschwimmern nachzubilden. Zunehmend wird auch maschinelles Lernen verwendet, um mit unbelebten Objekten/Agenten die Lernerfahrung von Leben zu imitieren. Beispiele sind die Navigation von Insekten mit Hilfe von Geruchswahrnehmung oder von Segelfliegern in Windströmungen. Schließlich wurde auch die Synthese einer künstlichen Zelle besprochen, die mit seiner Umgebung interagieren kann. Das heißt, es geht darum, belebte, intelligente Natur mit künstlichen Zellen und Agenten/Mikroschwimmern zu imitieren. Zum Beispiel kann man Mikroschwimmer für Transport-Prozesse in komplexer Umgebung, wie die Blutbahnen im menschlichen Körper, verwenden.

Die Organisatoren danken der Wilhelm und Else Heraeus-Stiftung, die erstmals eine Veranstaltung in Erice gefördert hat, für die großzügige finanzielle Unterstützung.

Prof. Dr. Holger Stark, TU Berlin