We study the onset of collective motion, with and without cohesion, of groups of noisy self-propelled particles interacting locally. We find that this phase transition, in two space dimensions, is always discontinuous, including for the minimal model of Vicsek et al. [Phys. Rev. Lett. 75, 1226 (1995)]] for which a nontrivial critical point was previously advocated. We also show that cohesion is always lost near onset, as a result of the interplay of density, velocity, and shape fluctuations.

We present a comprehensive study of Vicsek-style self-propelled particle models in two and three space dimensions. The onset of collective motion in such stochastic models with only local alignment interactions is studied in detail and shown to be discontinuous (first-order-like). The properties of the ordered, collectively moving phase are investigated. In a large domain of parameter space including the transition region, well-defined high-density and high-order propagating solitary structures are shown to dominate the dynamics. Far enough from the transition region, on the other hand, these objects are not present. A statistically homogeneous ordered phase is then observed, which is characterized by anomalously strong density fluctuations, superdiffusion, and strong intermittency.

We argue that the model introduced by Vicsek et al. in which self-propelled particles align locally with neighbors is, because of its simplicity, central to most studies of collective motion or “active” matter. After reviewing briefly its main properties, we show how it can be expanded into three main directions: changing the symmetry of the particles and/or of their interactions, adding local cohesion, and taking into account the fluid in which the particles move.

We study analytically the emergence of spontaneous collective motion within large bidimensional groups of self-propelled particles with noisy local interactions, a schematic model for assemblies of biological organisms. As a central result, we derive from the individual dynamics the hydrodynamic equations for the density and velocity fields, thus giving a microscopic foundation to the phenomenological equations used in previous approaches. A homogeneous spontaneous motion emerges below a transition line in the noise-density plane. Yet, this state is shown to be unstable against spatial perturbations, suggesting that more complicated structures should eventually appear.

Considering a gas of self-propelled particles with binary interactions, we derive the hydrodynamic equations governing the density and velocity fields from the microscopic dynamics, in the framework of the associated Boltzmann equation. Explicit expressions for the transport coefficients are given, as a function of the microscopic parameters of the model. We show that the homogeneous state with zero hydrodynamic velocity is unstable above a critical density (which depends on the microscopic parameters), signalling the onset of a collective motion. Comparison with numerical simulations on a standard model of self-propelled particles shows that the phase diagram we obtain is robust, in the sense that it depends only slightly on the precise definition of the model. While the homogeneous flow is found to be stable far from the transition line, it becomes unstable with respect to finite-wavelength perturbations close to the transition, implying a non-trivial spatio-temporal structure for the resulting flow. We find solitary wave solutions of the hydrodynamic equations, quite similar to the stripes reported in direct numerical simulations of self-propelled particles.