Datorredze atklāj ievērojamo flokēšanas noslēpumu

Vērojiet strazdu ganāmpulku dažas minūtes, un ir viegli redzēt tā ievērojamo uzvedību. Šķiet, ka putni pārvietojas sinhroni, lai gan tos var atdalīt pēc paša ganāmpulka platuma. Kaut kādā veidā putnu kustībai ganāmpulka pretējās pusēs ir jābūt korelētai, lai gan tie var tikai saprātīgi sazināties ar saviem tuvākajiem kaimiņiem.

Tas, kā tas notiek, ir bijis ļoti aizraujošs. Viens veids, kā risināt šo problēmu, ir simulēt flokēšanas uzvedību datorā, salīdzināt simulāciju ar faktisko flokēšanas uzvedību un tādējādi mēģināt to izskaidrot.

Tas noteikti ir radījis dažas interesantas atziņas, taču tas cieš no tā, ka trūkst detalizētu reālu putnu uzvedības mērījumu liela mēroga ganāmpulkos. Tas nesen ir mainījies, parādoties progresīvām datorredzes metodēm, kas vienā kadrā var izmērīt lielu skaitu kustīgu objektu pozīciju un ātrumu.

Mūsdienās Viljams Bialeks no Prinstonas universitātes un daži draugi izmanto šos jaunatklātos datus, lai izveidotu vienkāršāko teorētisko modeli, kas var reproducēt īstu ganāmpulku faktisko uzvedību.

Viņu modelis sniedz ievērojamu ieskatu. Viņi saka, ka strazdu ganāmpulki darbojas ļoti īpašā fiziskā stāvoklī, kas ļauj korelācijām starp atsevišķiem putniem paplašināties vairāk vai mazāk bezgalīgi, šajā gadījumā visā ganāmpulka platumā.

Bialek un co sāk, analizējot no 122 līdz 4268 strazdiem atrašanās vietu un ātrumu 21 atsevišķā ganāmpulka notikumā. Viņi izmanto šos datus, lai noteiktu korelācijas starp atsevišķu putnu pārvietošanos ganāmpulkā un to ātruma dispersiju attiecībā pret vidējo.

Šie mērījumi liecina, ka putnu uzvedība ir ārkārtīgi precīzi noregulēta. Atsevišķi putni lido ar ātrumu, kas ir ļoti līdzīgs viņu kaimiņu lidojumiem. Citiem vārdiem sakot, tie atbilst gan tuvumā lidojošo putnu ātrumam, gan virzienam.

Tas rada interesantu jautājumu. Katra putna uzvedība ir saistīta ar tā tuvākajiem kaimiņiem, taču parastos apstākļos šai korelācijai vajadzētu samazināties noteiktā attāluma skalā, parasti ne daudz tālāk par attālumu starp pašiem putniem.

Tātad ar šo domāšanas veidu var sinhronizēt tikai kaimiņu putnus, veidojot nelielas neatkarīgas grupas.

Kā tad viss ganāmpulks var kļūt sinhronizēts? Šeit noder nedaudz fizikas. Fiziķi jau sen ir zinājuši par fāzu izmaiņām sistēmās, kur nelielas viena parametra izmaiņas var izraisīt milzīgas izmaiņas sistēmas lielapjoma īpašībās.

Viens slavens piemērs ir magnēts, kurā nelielas temperatūras izmaiņas izraisa magnēta griešanās pēkšņi izlīdzināšanos. Zem šīs temperatūras masas uzvedība ir kā magnēts, zem šīs temperatūras materiāls nav magnēts.

Tomēr svarīgi ir tas, ka tad, kad notiek šīs izmaiņas, griezieni, kurus atdala liels attālums, kļūst korelēti. Faktiski korelācijas skala kļūst bezgalīgi liela.

Punktu, kurā tas notiek sistēmā, sauc par kritisko punktu. Šķiet skaidrs, ka flokēšana ir tāda, ka arī tā var notikt tikai kritiskā punktā, kur korelācijas skala attiecas uz visu ganāmpulku. Kad tas notiek, visas mazās kaimiņu putnu grupas uzvedas kā viens vesels, kas rada raksturīgo ganāmpulka uzvedību.

Šī kritiskā uzvedība dabiski izkrīt no modeļa, ko Bialek un co ir radījuši un ko viņi ļoti skaidri raksturo kā atsperu sistēmu, kas savieno katru putnu ar tuvākajiem kaimiņiem un ko var noregulēt tā, lai mainītu to ietekmi. viens uz otru.

No pirmā acu uzmetiena šķiet ievērojams, ka tik liela skaita atsevišķu organismu sarežģītā uzvedība var būt tik smalki līdzsvarota, lai darbotos kritiskā punktā.

Bioloģiski putni var mainīt ātrumu vai nu individuālu iemeslu dēļ, vai sekot saviem kaimiņiem, paralēli modelī notvertajiem konkurējošiem spēkiem. Šajā valodā kritiskais punkts ir vieta, kur sociālie spēki pārspēj individuālās preferences, saka Bialeks un citi.

Bet tas nozīmē, ka putnu sociālajā uzvedībā ir kaut kas īpašs, kas noved pie šī kritiskā punkta. Nav skaidrs, kā putni pārvalda sociālo mijiedarbību, taču tie noteikti sniedz milzīgas priekšrocības. Kad ganāmpulks darbojas prom no kritiskā punkta, putns, kas atrodas ganāmpulka nomalē, var ietekmēt savus tuvākos kaimiņus tikai tad, kad tuvojas plēsējs.

Bet tas viss mainās, kad ganāmpulks darbojas kritiskajā punktā. Tādā gadījumā indivīds, kurš pamana plēsēju, var ietekmēt visa ganāmpulka uzvedību. Patiešām, ir daudz pierādījumu tam, ka ganāmpulki ir ļoti imūni pret plēsēju uzbrukumiem. Mēs zinām, ka plēsēju uzbrukumiem ganāmpulkam ir ļoti zems panākumu līmenis, saka Bialek un citi.

Tas ir aizraujošs ieskats sarežģītajā fizikā, kas slēpjas aiz ievērojamas un skaistas bioloģiskas parādības. Tas var arī sniegt ieskatu par to, kā mākslīgās sistēmas var izmantot kritiskumu. Nav grūti iedomāties, kā šī uzvedība varētu būt noderīga, lai kontrolētu robotu barus vai pat maršrutētu informāciju tīklos.

Atsauce: arxiv.org/abs/1307.5563 : Sociālās mijiedarbības dominē ātruma kontrolē, virzot dabiskos ganāmpulkus uz kritiskumu

paslēpties