6月6日，物理科学与技术学院郭伟团队在美国物理学会（APS）旗下的期刊 Physical Review Research上，以“Collective Behavior Based on Topological Vision”为题，发表了活性粒子集体运动方面的最新研究成果。论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.7.023234

活性粒子的集体行为，是非平衡统计物理与复杂系统研究的前沿课题。它在理解自然群体运动（如微观的细菌，宏观的鱼类、鸟群集群）和设计人工自驱动器件（如机器人）方面，具有重要意义。传统理论模型基于“度量邻域”假设，而实际生物系统更符合“拓扑邻域”交互机制（如Voronoi结构），且往往存在有限的视野感知范围，造成相互作用的非互易性（图1）。在拓扑邻域框架下，引入视觉限制来描述活性粒子的集体动力学是亟待解决的科学问题。

论文提出“拓扑视野”概念，构建了“有限视角-拓扑”的耦合模型（图1）。此外，该模型区别于传统意义上的“速度对齐”机制，采用基于“位置”信息的相互作用机制。

研究发现，受到视野限制与拓扑相互作用的粒子，能够形成3类典型相：有序相、相列相以及聚集的极性迁移带（图2）。研究还揭示了不同视角与随机涨落下的扩散行为，即从次扩散到超扩散再回到次扩散的非单调变化（图3）。更为重要的是，发现弱非互易拓扑相互作用导致遍历性，而强非互易拓扑相互作用导致非遍历性（即系统存在非遍历性的超扩散，图3、4）。

该成果在理论上为研究“拓扑近邻+有限视觉感知”的集群运动铺平了道路。模型显示在没有速度对齐机制的条件下，仅通过位置感知就能形成复杂的有序结构，根植于“反常扩散与遍历性破缺”，展现出一定的适应性与鲁棒性，为视觉感知的机器人集群、无人机编队等提供理论支撑。尤其在研究分布式控制、自组织网络和大规模自适应自驱动系统中，有良好的应用潜力。

课题组博士研究生施宏达为论文第一作者，郭伟副教授为通讯作者，昆明学院为第一单位。论文合作者云南大学杜鲁春副教授做出了重要贡献。感谢昆明学院黄飞杰副教授，南京大学金国钧教授、张海军教授的有益讨论。本研究受到国家自然科学基金（12165010）、云南省基础研究项目（202501AT070070、202401AT070422）、兴滇人才支持计划、春城青年拔尖人才计划、南京大学国家固体微结构实验室开放课题（M33020）和昆明学院科研特色团队（2023）的联合资助，特此致谢！