En una noche templada, en ciertos lugares del mundo, cientos de luciérnagas pueden comenzar a brillar en perfecta sincronía. Sin haberse puesto de acuerdo ni contar con una “líder”, comienzan a emitir pulsos de luz al mismo ritmo, como si siguieran una partitura común. Este tipo de coordinación natural, tan elegante como misteriosa, ha inspirado durante años a biólogos, físicos e ingenieros.
Ahora, un equipo de investigadores de las universidades de Konstanz y Jülich ha dado un paso sorprendente en esa dirección: ha logrado diseñar un sistema de partículas microscópicas que no solo se mueven, sino que también sincronizan sus “ritmos internos” como lo harían animales reales. Estos sistemas, conocidos como “swarmalators”, podrían ayudar a comprender mejor los comportamientos colectivos en la naturaleza y, en un futuro, servir de modelo para enjambres robóticos que operen sin necesidad de un control centralizado.
Qué son los swarmalators y por qué fascinan tanto
Los swarmalators —un término derivado de "swarming" (enjambre) y "oscillators" (osciladores)— describen sistemas en los que cada unidad individual no solo se desplaza en el espacio, sino que también presenta un comportamiento oscilatorio interno, como un ritmo o ciclo que se puede sincronizar con otros. En la naturaleza, esto ocurre en fenómenos como los destellos sincronizados de las luciérnagas o los cantos coordinados de ciertas ranas.
Lo interesante de estos sistemas es la forma en que el movimiento y la sincronización se influyen mutuamente. Es decir, la proximidad entre individuos modifica el ritmo, y las diferencias de fase entre ellos afectan su forma de moverse. Esta retroalimentación da lugar a patrones colectivos complejos, sin que exista un “cerebro central” que los dirija.
Aunque el concepto había sido teorizado, nunca se había conseguido recrearlo en condiciones experimentales controladas. En este estudio, publicado en la revista Nature Communications, los investigadores lo han logrado utilizando partículas activas que orbitan en torno a puntos de referencia y se coordinan mediante interacciones hidrodinámicas.
El experimento: partículas que orbitan y se sincronizan
Para dar vida a este sistema, los científicos usaron partículas coloidales —esferas microscópicas de sílice recubiertas parcialmente de carbono— suspendidas en un líquido especial. Cada partícula era impulsada por un láser que le permitía moverse de forma autónoma, pero con una pequeña trampa: el láser estaba ligeramente desfasado respecto a la posición objetivo. Este desfase, aunque mínimo, provocaba que las partículas comenzaran a describir movimientos orbitantes, generando un ciclo oscilatorio.
La clave estaba en lo que ocurría cuando muchas de estas partículas se encontraban cerca unas de otras. Las interacciones hidrodinámicas —los flujos de líquido que cada partícula produce al moverse— provocaban que sus órbitas se sincronizaran espontáneamente. Al observarlas, los investigadores notaron que comenzaban a girar al mismo tiempo y en la misma dirección, como si compartieran un ritmo interno invisible.
Tal como se explica en el artículo, “cuando varios osciladores de este tipo interactúan a través de flujos hidrodinámicos, se sincronizan espontáneamente y se autoorganizan en patrones complejos”.
Un parámetro para cambiarlo todo
Una de las características más sorprendentes del experimento es que el comportamiento colectivo de las partículas podía ser controlado ajustando un solo parámetro. Al modificarlo, los investigadores podían pasar de un estado altamente sincronizado, donde las partículas formaban grupos densos, a un estado más disperso, con baja sincronización. En ciertos valores intermedios, se formaban estructuras giratorias colectivas.
Este fenómeno, descrito por los autores como un “estado de rotación de swarmalators”, se produce cuando las partículas sincronizadas generan pequeños flujos que, al combinarse, provocan que todo el conjunto gire como un vórtice. Lo fascinante es que ninguna de las partículas por sí sola genera una fuerza rotacional; la rotación global emerge como resultado de interacciones locales.
En palabras del artículo original: “esta rotación se origina a partir de fuerzas hidrodinámicas laterales dependientes de la fase entre partículas vecinas”. Este descubrimiento demuestra que es posible lograr movimientos colectivos complejos a partir de reglas de interacción simples, algo que ocurre de forma similar en sistemas vivos como los embriones de estrellas de mar o las colonias bacterianas.
El papel de la distancia y la sincronización
Otra observación clave es que las fuerzas de atracción o repulsión entre partículas no dependen solo de la distancia, sino también del nivel de sincronía entre ellas. Dos partículas que están en fase tienden a acercarse, mientras que si sus ritmos están desfasados, se alejan. Este mecanismo permite que los grupos se organicen de forma estable o se dispersen, según el caso.
Los investigadores lo comprobaron midiendo el desplazamiento medio de cada partícula respecto a su punto de referencia. Para aquellas con fases sincronizadas, el desplazamiento tendía a acercarlas a sus vecinas; en cambio, para partículas desfasadas, el desplazamiento era en sentido opuesto.
Esto ofrece una explicación mecánica del proceso de autoorganización, ya que pequeñas diferencias en el ritmo afectan el movimiento y, a su vez, el movimiento altera el ritmo. El sistema se convierte así en una especie de bucle dinámico que evoluciona sin necesidad de dirección externa.
Implicaciones futuras: robots, inteligencia colectiva y más
Además de su valor como modelo físico, los swarmalators tienen implicaciones muy prometedoras en el campo de la robótica autónoma. Poder construir sistemas de robots que se autoorganicen y se sincronicen sin control central abriría nuevas posibilidades en exploración espacial, búsqueda y rescate, agricultura automatizada o vigilancia ambiental.
El experimento también ofrece una plataforma ideal para estudiar cómo surge la memoria colectiva, cómo se pueden controlar los comportamientos emergentes y cómo los sistemas complejos responden a cambios en las condiciones externas.
Según explican los autores, “nuestro sistema demuestra una plataforma experimental controlable para swarmalators y amplía el marco teórico al incluir interacciones físicas no exploradas previamente”.
Por si fuera poco, el modelo desarrollado por el equipo permite simular nuevos estados que todavía no han sido alcanzados experimentalmente, como configuraciones antisincronizadas o estructuras en cadena que recuerdan a ciertos tejidos biológicos.
Referencias
- Veit-Lorenz Heuthe, Priyanka Iyer, Gerhard Gompper, y Clemens Bechinger. Tunable colloidal swarmalators with hydrodynamic coupling. Nature Communications, vol. 16, artículo 10984, 2025. DOI: 10.1038/s41467-025-66830-5.
