Wizja komputerowa ujawnia niezwykłą tajemnicę flokowania

Obserwuj przez kilka minut stado szpaków, a łatwo zauważyć jego niezwykłe zachowanie. Wydaje się, że ptaki poruszają się synchronicznie, nawet jeśli dzieli je szerokość samego stada. W jakiś sposób ruch ptaków po przeciwnych stronach stada musi być skorelowany, nawet jeśli mogą rozsądnie komunikować się tylko z najbliższymi sąsiadami.

To, jak to się dzieje, było przedmiotem wielu fascynacji. Jednym ze sposobów rozwiązania tego problemu jest symulacja flokowania na komputerze, porównanie symulacji z rzeczywistym zachowaniem flokowania i tym samym próba jego wyjaśnienia.

Z pewnością przyniosło to pewne interesujące spostrzeżenia, ale cierpi na poważny brak szczegółowych pomiarów zachowania prawdziwych ptaków w stadach na dużą skalę. Ostatnio zmieniło się to wraz z pojawieniem się zaawansowanych technik widzenia komputerowego, które mogą mierzyć położenie i prędkość dużej liczby poruszających się obiektów w jednej klatce.

Dzisiaj William Bialek z Princeton University i kilku kumpli wykorzystuje te nowo odkryte dane do zbudowania najprostszego modelu teoretycznego, który może odtworzyć rzeczywiste zachowanie prawdziwych stad.

Ich model daje niezwykły wgląd. Mówią, że stada szpaków działają w bardzo szczególnym stanie fizycznym, który pozwala korelacji między poszczególnymi ptakami rozciągać się mniej więcej w nieskończoność, w tym przypadku na całej szerokości stada.

Białek i spółka zaczynają od analizy pozycji i prędkości między 122 a 4268 szpakami w 21 różnych stadiach. Wykorzystują te dane do opracowania korelacji między ruchem poszczególnych ptaków w stadzie a wariancją ich prędkości w stosunku do średniej.

Pomiary te pokazują, że zachowanie ptaków jest niezwykle dopracowane. Poszczególne ptaki lecą z prędkością bardzo zbliżoną do prędkości ich sąsiadów. Innymi słowy, dopasowują się zarówno do prędkości, jak i kierunku przelatujących w pobliżu ptaków.

Rodzi to interesujące pytanie. Zachowanie każdego ptaka jest skorelowane z jego najbliższymi sąsiadami, ale w normalnych warunkach korelacja ta powinna zanikać w pewnej charakterystycznej skali odległości, zwykle niewiele większej niż odległość między samymi ptakami.

W ten sposób można więc zsynchronizować tylko sąsiednie ptaki, tworząc małe, niezależne grupy.

Jak zatem może się zsynchronizować całe stado? Tutaj przydaje się trochę fizyki. Fizycy od dawna wiedzą o zmianach fazowych w układach, w których niewielka zmiana jednego parametru może prowadzić do ogromnej zmiany ogólnych właściwości układu.

Jednym ze znanych przykładów jest magnes, w którym niewielka zmiana temperatury powoduje nagłe wyrównanie obrotów magnesu. Poniżej tej temperatury masa zachowuje się jak magnes, poniżej tej temperatury materiał nie jest magnesem.

Ważne jest jednak to, że kiedy ta zmiana nastąpi, spiny, które są oddzielone dużymi odległościami, stają się skorelowane. W rzeczywistości skala korelacji staje się nieskończenie duża.

Punkt, w którym następuje to w systemie, nazywany jest punktem krytycznym. To, co wydaje się jasne, jeśli chodzi o stado, to to, że ono również może wystąpić tylko w krytycznym punkcie, w którym skala korelacji rozciąga się na całe stado. Kiedy tak się dzieje, wszystkie małe grupy sąsiednich ptaków zachowują się jak jedno, co tworzy charakterystyczne zachowanie stada.

To krytyczne zachowanie w naturalny sposób odbiega od modelu, który stworzyli Białek i współpracownicy i który opisują z wielką jasnością jako system sprężyn łączących każdego ptaka z jego najbliższymi sąsiadami i który można dostroić w sposób zmieniający wpływ, jaki wywierają. na siebie.

Na pierwszy rzut oka wydaje się niezwykłe, że złożone zachowanie tak dużej liczby pojedynczych organizmów może być tak precyzyjnie zbalansowane, aby działać w krytycznym punkcie.

Z biologicznego punktu widzenia ptaki mogą zmieniać prędkość z powodów indywidualnych lub podążać za sąsiadami, równolegle do rywalizujących sił uchwyconych w modelu. W tym języku punktem krytycznym jest miejsce, w którym siły społeczne przeważają nad indywidualnymi preferencjami, powiedzmy Białek i spółka.

Ale to sugeruje, że jest coś szczególnego w społecznym zachowaniu ptaków, co prowadzi do tego krytycznego punktu. Nie jest jasne, w jaki sposób ptaki zarządzają interakcjami społecznymi, ale z pewnością zapewniają one ogromną przewagę. Kiedy stado działa z dala od punktu krytycznego, ptak na obrzeżach stada może wpływać na swoich najbliższych sąsiadów tylko wtedy, gdy zbliża się drapieżnik.

Ale wszystko to zmienia się, gdy stado działa w krytycznym punkcie. W takim przypadku osobnik, który zauważy drapieżnika, może wpłynąć na zachowanie całego stada. Rzeczywiście, istnieje wiele dowodów na to, że stada są wyjątkowo odporne na ataki drapieżników. Wiemy, że ataki drapieżników na stado mają bardzo niski wskaźnik skuteczności, mówią Białek i spółka.

To fascynujący wgląd w złożoną fizykę stojącą za niezwykłym i pięknym zjawiskiem biologicznym. Może również zapewnić wgląd w to, w jaki sposób sztuczne systemy mogą wykorzystywać krytyczność. Nietrudno sobie wyobrazić, jak to zachowanie może być przydatne do kontrolowania rojów robotów, a nawet do kierowania informacji w sieciach.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1307.5563 : Interakcje społeczne dominują w kontroli prędkości w kierowaniu naturalnymi stadami w kierunku krytyczności

ukryć