图1 声学通信活性物质。该图展示了声学通信活性物质系统的核心机制，包括智能体的极性运动特性、内部振荡器与声场的耦合关系，以及智能体对声幅梯度的响应方式。这项由德国路德维希 - 马克西米利安大学、美国宾夕法尼亚州立大学等机构的研究人员合作完成的成果，为设计能执行复杂任务的声学或电磁通信微型机器人集群提供了理论基础。
在自然界中，蝙蝠和鲸鱼等动物利用声学信号交流以提升进化竞争力。受此启发，研究团队构建了一个由配备声学发射器和探测器的活性智能体（swarmers）组成的集群系统。这些智能体通过调整发射频率并向最强信号源迁移，对声学场做出动态响应。
计算模拟显示，系统能自组织形成多种形态结构，包括蛇形自推进实体、局部聚集物和旋转环等，每种结构都具备独特的功能特性。
图2 声学介质的聚集体形成。该图展示不同时间点智能体的相位同步、声场振幅变化及聚集过程，呈现了声学相互作用如何驱动智能体从无序分布到形成单一持久集体聚集体的动态过程，验证了声学耦合在聚集过程中的关键作用。
研究的核心发现在于这些集体集群展现出的强大适应性与功能性。例如，集群在遭受强烈扰动后能自我再生，甚至可穿过狭窄通道后重新组装；它们能在群体尺度上感知反射物体，并对外部声学控制输入做出协同响应。这种自我修复能力与环境适应性，类似于生物系统的进化优势，但通过人工设计的声学交互机制得以实现。
在对集体状态的系统研究中，团队识别出五种典型表型：
团块（blob）：低速度、高声学敏感性下形成的局部聚集结构，中心存在 "起搏器" 区域，发射频率约为单个智能体的 25 倍；
幼虫（larva）：不对称结构，头部存在极性缺陷，能缓慢迁移并吸收小集群，频率可达单个智能体的 80 倍；
蛇形（snake）：高速运动结构，无内部起搏器，依靠相位波同步推进，移动速度接近单个智能体；
衔尾蛇（ouroboros）：幼虫卷曲形成的环形结构（形象地说就是 “吃掉” 自己的尾巴以形成一个连续的环），这些衔尾蛇展示出周期性的相位波，相位波的传播方向与智能体的运动方向通常相反；
团藻（volvox）：中心同步区域被非相干振荡外层包围，类似耦合振荡器网络中的 "嵌合体状态"。
图3 集体状态的多样性。（a）不同集体状态与智能体自推进速度v0和声信号对齐敏感性的关系相图。（b）-（f）基于智能体模型的代表性解及其声学特征（频率分布和临近位置测得的声信号振幅）。智能体颜色表示振荡器相位，白色箭头突出局部平均智能体取向，白色标尺代表5单位长度。
这些结构的形成与智能体的运动速度、声学敏感性等参数密切相关。通过量化集群极性序参数（Ψ???）和聚集度量（Ψ???），研究团队绘制出清晰的相图，揭示了不同表型之间的转变规律。
研究证实，集群能通过声学反射感知外部物体并改变行为模式 —— 幼虫在探测到逼近物体时会解体为团块，而团藻则会排出外围非同步智能体。蛇形结构可穿越比自身直径更窄的通道并恢复形态，幼虫在头部缺陷被破坏后能再生新的 "起搏器" 并重新吸收分散的智能体。
此外，研究还实现了通过外部声学信号对集群的位置控制，展示了捕获、运输和释放蛇形结构的精准操作，如下图9所示。
图8 对逼近物体的集体感知。（a）移动幼虫对逼近物体的表型变化序列：探测到反射波后解体为团块并排出外围智能体。右侧面板展示整个模拟域（L=50）的声频率、振幅和集群数量时间演化，红线标记入侵物引入时刻，蓝线对应快照时间。（b）局部集体解（团块）对逼近入侵物的响应序列：反射物引入后声发射振幅显著变化，团藻排出外围非同步智能体，尺寸减小。
图9 涌现功能示例。（a）稳定蛇形结构穿过狭窄通道（灰色），最右侧展示智能体通过率与通道宽度和蛇长的关系。（b）幼虫再生被截断的头部：幼虫集体速度与封闭极性缺陷位置呈饱和线性关系（右侧），恢复过程轨迹回归幼虫特征速度行为（插图彩色轨迹）。（c）远距离声学通信：两个团藻通过发射声波相互作用，维持稳定集群距离（声学波长 Δ 的整数倍），蓝线标记快照时间。（d）声学束对蛇形结构的捕获、运输和释放（“卵中蛇”）：足够大信标尺寸下控制协议稳定，控制速度可达单个智能体速度，右侧为成功捕获智能体比例。说明：通过系列功能实验，展示了集体结构的环境适应（穿通道）、自我修复（再生）、群体通信（距离调控）和外部控制（捕获运输）能力，验证了系统在实际应用中的潜力。
与依赖化学信号的传统系统相比，声学信号传递具有速度快、范围广的优势。研究中的活性智能体通过声波实现长距离非局部耦合，其粗化动力学速度远超扩散介导的奥斯特瓦尔德熟化(Ostwald ripening)过程，且能在特定长度尺度稳定下来。
这种特性使系统在污染物觅食、集体威胁检测和组织栓塞等应用场景中具有优势。
研究团队指出，通过微观智能体间的简单交互规则，系统无需外部监督即可涌现高级功能，这与神经网络的工作原理相似，但极大降低了单个智能体的计算能耗。未来，这类声学通信系统有望应用于危险或难以接近的环境中，如开发更先进的协同声呐系统以识别反射物体特性并触发相应行为。
更多信息：Alexander Ziepke et al, Acoustic Signaling Enables Collective Perception and Control in Active Matter Systems, Physical Review X (2025). DOI: 10.1103/m1hl-d18s
