Non-reciprocal visual perception and polar alignment drive collective states in chiral active particles
यह शोध पत्र ध्रुवीय संरेखण (polar alignment) और दृष्टि-आधारित संवेदन (vision-based sensing) वाले काइरल बुद्धिमान सक्रिय ब्राउन कणों (chiral intelligent active Brownian particles) की सामूहिक गतिशीलता की जांच करता है, जो यह प्रकट करता है कि कैसे काइरैलिटी (chirality), गैर-पारस्परिक धारणा (non-reciprocal perception) और संरेखण मापदंडों के बीच का परस्पर प्रभाव भंवर (vortices), लहरों (ripples) और झुंडों (swarms) जैसे विविध सामूहिक अवस्थाओं के उद्भव को संचालित करता है जो गैर-काइरल प्रणालियों के लिए अप्राप्य हैं।
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सूक्ष्म जगत की हलचल भरी दुनिया में, सूक्ष्म जीवाणुओं के उपनिवेशों से लेकर उनकी नकल करने के लिए डिज़ाइन किए गए कृत्रिम रोबोटों तक, गति शायद ही कभी एक सीधी रेखा में होती है। ये स्व-चालित कण, जिन्हें अक्सर 'सक्रिय पदार्थ' (active matter) कहा जाता है, अपनी आंतरिक ऊर्जा द्वारा संचालित होते हैं। धारा में बहते रेत के एक निष्क्रिय कण के विपरीत, वे खुद को आगे धकेलते हैं। हालाँकि, उनके पथ शायद ही कभी सरल होते हैं। अपने वातावरण के साथ अंतःक्रिया, अपने अजीब आकार, या आंतरिक बलों के कारण वे अक्सर मुड़ते, डगमगाते या घूमते हैं। जब इन छोटे चालकों के अरबों कण एकत्र होते हैं, तो वे केवल भीड़ नहीं लगाते; वे संगठित होते हैं। वे झुंड, दल और समूह बनाते हैं जो एक उद्देश्य के साथ चलते हैं, यह एक ऐसी घटना है जिसे प्रकृति में मछली के स्कूलों से लेकर स्टार्लिंग पक्षियों के झुंडों तक देखा जा सकता है। वैज्ञानिकों ने लंबे समय से अध्ययन किया है कि ये समूह कैसे बनते हैं, विशेष रूप से इस बात पर ध्यान केंद्रित किया है कि व्यक्ति अपने दिशा को अपने पड़ोसियों के साथ कैसे संरेखित करते हैं, ठीक वैसे ही जैसे झुंड में पक्षी अपने सिर को एक ही दिशा में रखते हैं। लेकिन एक नया जटिल स्तर उभर कर आया है: क्या होता है जब इन कणों में मुड़ने की एक अंतर्निहित प्रवृत्ति भी होती है, और जब वे एक-दूसरे को "देख" सकते हैं?
भारतीय विज्ञान शिक्षा और अनुसंधान संस्थान मोहाली के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इसी प्रश्न की खोज की है। उन्होंने हजारों छोटे, स्व-चालित कणों का एक कंप्यूटर सिमुलेशन बनाया जिनमें तीन विशिष्ट गुण हैं: वे अपने आप आगे बढ़ते हैं, उनमें एक आंतरिक टॉर्क के कारण स्वाभाविक रूप से गोल घूमने की प्रवृत्ति होती है, और वे अपने सामने के एक विशिष्ट दृश्य क्षेत्र (field of view) के भीतर अन्य कणों को महसूस कर सकते हैं। शोधकर्ताओं ने यह मानचित्रित किया कि कैसे ये कण अपने पड़ोसियों के साथ संरेखित होने की कोशिश करते हैं बनाम वे स्टीयरिंग के लिए अपने दृश्य बोध पर कितना भरोसा करते हैं, और यह बदलकर कि वे कितनी तेजी से घूमते हैं, सामूहिक व्यवहारों का एक समृद्ध परिदृश्य तैयार किया। उन्होंने पाया कि इस अंतर्निहित स्पिन और पड़ोसियों को देखने और प्रतिक्रिया करने की क्षमता के बीच का तालमेल विविध, जीवंत जैसी संरचनाएं बनाता है जो अस्तित्व में नहीं होतीं यदि कण सरल होते या उनमें दृष्टि का यह बोध नहीं होता।
शोधकर्ताओं ने पाया कि परिणाम काफी हद तक कणों के आंतरिक स्पिन और उनके समन्वय की क्षमता के बीच के संतुलन पर निर्भर करता है। जब आंतरिक स्पिन बहुत मजबूत होता है, तो कण बिखरे हुए और अव्यवस्थित रहते हैं, किसी भी सुसंगत समूह को बनाने में असमर्थ होते हैं। हालाँकि, जैसे ही स्पिन धीमा होकर मध्यम स्तर पर आता है, कण विशिष्ट आकृतियों में संगठित होने लगते हैं। उनके द्वारा देखी गई सबसे उल्लेखनीय संरचनाओं में से एक "स्पिनर" (spinner) थी, जो एक सघन, सघन क्लस्टर है जहाँ कण एक ठोस ब्लॉक के रूप में एक साथ घूमते हैं, फिर भी किसी विशिष्ट क्रम में नहीं होते कि वे किस दिशा में देख रहे हैं। ये क्लस्टर एक ही स्थान पर घूमते हैं, जो एक-दूसरे को दिए जाने वाले दृश्य संकेतों द्वारा संचालित होते हैं, लेकिन वे स्क्रीन पर यात्रा नहीं करते हैं।
जैसे-जैसे शोधकर्ताओं ने विजुअल स्टीयरिंग के सापेक्ष संरेखण की शक्ति को समायोजित किया, समूह अन्य आकर्षक पैटर्न में बदल गए। उन्होंने "वोर्टेक्स" (vortices) का उदय देखा, जो घूमते हुए क्लस्टर हैं जहाँ कण अपनी दिशाओं को संरेखित करते हैं और एक साथ घूमते हैं, लेकिन स्पिनर्स के विपरीत, ये वोर्टेक्स पूरे समूह के रूप में स्थान में तैर भी सकते हैं। शायद सबसे अनूठी खोज एक अवस्था थी जिसे उन्होंने "रिपल" (ripple) कहा। ये कणों के फैलते हुए छल्ले हैं जो एक लूप में बाहर की ओर बढ़ते हैं। रिपल में कणों की एक विशिष्ट आंतरिक संरचना होती है: जो अंदर हैं वे बाहर की ओर झुकते हैं, जो बाहर हैं वे अंदर की ओर झुकते हैं, और जो बीच में हैं वे वक्र के साथ चलते हैं। यह एक तरंग जैसी गति बनाता है जो रिंग को तब तक फैलाता है जब तक कि वह अंततः टूट न जाए या एक छोटे, सघन वृत्त में स्थिर न हो जाए। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि ये रिपल लूप केवल तभी बनते हैं जब कणों की संख्या पर्याप्त होती है और जब विजुअल स्टीयरिंग इतनी मजबूत होती है कि वह समूह को उसके प्राकृतिक जमा होने की प्रवृत्ति के विरुद्ध बाहर की ओर धकेल सके।
जब कणों की अपने पड़ोसियों के साथ संरेखित होने की क्षमता प्रमुख बल बन गई, तो समूह "वॉर्म-लाइक" (worm-like) झुंडों में बदल गए। इन संरचनाओं में, कण लंबी, चलती हुई श्रृंखलाएं बनाने के लिए पंक्तिबद्ध होते हैं जो एक साथ चलते हैं, जिसमें एक नेता मार्ग का मार्गदर्शन करता है और अन्य उसका अनुसरण करते हैं। दिलचस्प बात यह है कि जैसे-जैसे झुंड चलता है, नेता की पहचान लगातार बदलती रहती है। अन्य समय में, कणों ने "रोटरी क्लस्टर्स" (rotary clusters) बनाए, जो स्थिर स्पिनर्स से भिन्न हैं। ये क्लस्टर अत्यधिक संगठित होते हैं और एक समन्वित कक्षा में चलते हैं, एक केंद्रीय बिंदु के चारों ओर चक्कर लगाते हुए एक साथ यात्रा करते हैं, न कि केवल एक ही स्थान पर घूमने के बजाय।
अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि समूह का आकार और दृष्टि का कोण महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। उदाहरण के लिए, फैलते हुए रिपल लूप को अपने विकास को बनाए रखने के लिए बड़ी संख्या में कणों की आवश्यकता होती है; यदि समूह बहुत छोटा है, तो कण केवल एक सांस लेते, स्पंदित होते हुए वोर्टेक्स बनाते हैं। शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि इन समूहों के चलने को इस बात से मापा जा सकता है कि वे समय के साथ कितनी दूर यात्रा करते हैं और उनकी दिशाएँ कैसे बदलती हैं। वॉर्म-लाइक झुंड और रिपल कुछ समय के लिए एक सीधी, बैलिस्टिक शैली में चलते हैं, दूरी कुशलतापूर्वक तय करते हैं, जबकि घूमने और चक्राकार घूमने वाले समूह एक अधिक सीमित क्षेत्र में रहने की प्रवृत्ति रखते हैं, जो वृत्तों में या आगे-पीछे दोलन करते हैं।
यह निष्कर्ष महत्वपूर्ण है क्योंकि यह दिखाते हैं कि गैर-पारस्परिक अंतःक्रियाएं (non-reciprocal interactions)—जहाँ कण A, B को देखता है और उस पर प्रतिक्रिया करता है, लेकिन B शायद A को उसी तरह नहीं देखता या प्रतिक्रिया नहीं करता—जब आंतरिक स्पिन के साथ जुड़ती हैं, तो वे जटिल व्यवहार उत्पन्न कर सकती हैं जिन्हें सरल संरेखण नियम नहीं बना सकते। ऐसे सिस्टम में बिना इस चिरैलिटी (chirality), या अंतर्निहित स्पिन के, इतने विविध राज्य जैसे कि फैलते हुए रिपल्स या विशिष्ट रोटरी क्लस्टर्स दिखाई नहीं देते। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि केवल कुछ मापदंडों को ट्यून करके—स्पिन की गति, दृष्टि का कोण और संरेखण की शक्ति—वे सिस्टम को एक अराजक, बिखरी हुई स्थिति से अत्यधिक व्यवस्थित, गतिशील संरचनाओं की ओर निर्देशित कर सकते हैं। यह कार्य यह समझने के लिए एक एकीकृत ढांचा प्रदान करता है कि धारणा (perception) और आंतरिक यांत्रिकी सक्रिय पदार्थ के सामूहिक जीवन को कैसे आकार देती है, जो बैक्टीरिया की गति से लेकर सूक्ष्म रोबोटों के भविष्य के झुंडों के डिजाइन तक सब कुछ लागू हो सकता है।
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