Kollektives Verhalten von Insektenschwärmen unter Externen Störungen

• Antragsteller: Dr. Michael Sinhuber
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 396632606

In der freien Natur organisieren sich eine breite Anzahl von Tierspezien in Schwärmen, die häufig örtliche und zeitlich komplexe Dynamiken aufweisen. Die zugrundeliegenden Interaktionen der Individuen und das resultierende, potentiell kollektive, Schwarmverhalten stehen im Zentrum aktueller Forschung zu Tierschwärmen. Obwohl für das Verständnis von schwärmenden Tieren von immenser Bedeutung, sind die Interaktionen zwischen Schwärmen und in der Natur allgegenwärtigen Strömungen, sei es durch Wind, Konvektion oder Wasserströmung, völlig unerforscht. Die Untersuchung dieser Kopplung steht im Zentrum dieses vorgeschlagenen Vorhabens. Es sollen die Interaktionen zwischen einer kollektiv schwärmenden Mücke, Chironomus riparius, und kontrollierbaren konvektiven Luftströmungen untersucht werden um quantifizierbare Erkenntnisse über die Kollektivität von Tierschwärmen und Ihre Interaktionen mit der Umwelt zu erlangen. In der freien Natur lassen sich Chironomus riparius vornehmlich in der Dämmerung über geometrischen Strukturen beobachten, im Labor bilden sich Schwärme vorhersagbar durch künstliche Licht und Dunkelheitsphasen und bieten sich daher für quantitative Studien an. In einem kontrollierbaren Laborexperiment werden hierzu Chironomus riparius Schwärme einer klassischen und gut kontrollierbaren Rayleigh-Bénard-Konvektionsströmung ausgesetzt. Mithilfe synchronisierter Kameras können mittels Stereoabgleichungen und aus der Turbulenzforschung bekannter Teilchenverfolger die dreidimensionalen Trajektorien sämtlicher Mücken im Schwarm zusammen mit ihren Geschwindigkeiten und Beschleunigungen bestimmt werden um komplette statistische Information über den Schwarm zu erlangen. Durch eine Variation der treibenden Konvektionsströmung lassen sich somit dynamische Effekte auf das kollektive Schwarmverhalten untersuchen. Hierzu werden neuartige topologische Methoden hinzugezogen, um Aussagen über die globale, dynamische Struktur von Schwärmen unter äusseren Einflussen zu untersuchen. Kenntnis dieser Interaktionen sind essentiell um ein tieferes physikalisches Verständnis über die Natur kollektiver Schwärme zu erlangen und potentiell hilfreich in Ingenieursanwendungen um effektive, verteilte Systeme zu designen, die in der Lage sind komplexe Aufgaben als Kollektiv zu erledigen.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Dr. Nicholas T. Ouellette