Computer Vision afslører den bemærkelsesværdige hemmelighed ved flok

Se en flok stære i et par minutter, og det er nemt at se dens bemærkelsesværdige opførsel. Fuglene ser ud til at bevæge sig synkront, selvom de kan adskilles af selve flokkens bredde. På en eller anden måde skal bevægelsen af ​​fugle på modsatte sider af flokken være korreleret, selvom de kun med rimelighed kan kommunikere med deres nærmeste naboer.

Hvordan dette sker, har været genstand for megen fascination. En måde at tackle dette problem på er at simulere flockadfærd på en computer, sammenligne simuleringen med den faktiske flockingsadfærd og derved forsøge at forklare det.

Dette har bestemt givet nogle interessante indsigter, men det lider under en alvorlig mangel på detaljerede målinger af ægte fugleadfærd i store flokke. Det har for nylig ændret sig med fremkomsten af ​​avancerede computersynsteknikker, der kan måle positionen og hastigheden af ​​et stort antal bevægelige objekter i en enkelt ramme.

I dag bruger William Bialek ved Princeton University og et par venner disse nyfundne data til at bygge den enkleste teoretiske model, der kan gengive den faktiske adfærd hos rigtige flokke.

Deres model giver en bemærkelsesværdig indsigt. De siger, at flokke af stære opererer i en meget speciel fysisk tilstand, der tillader korrelationer mellem individuelle fugle at strække sig mere eller mindre uendeligt, i dette tilfælde over hele flokkens bredde.

Bialek og co begynder med at analysere positionen og hastigheden af ​​mellem 122 og 4268 stære i 21 forskellige flokkebegivenheder. De bruger disse data til at finde ud af sammenhængen mellem bevægelsen af ​​individuelle fugle i flokken og variansen af ​​deres hastigheder i forhold til gennemsnittet.

Disse målinger viser, at fuglenes adfærd er ekstraordinært finjusteret. Individuelle fugle flyver med en hastighed, der minder meget om deres naboers. Med andre ord matcher de både hastigheden og retningen af ​​fugle, der flyver i nærheden.

Dette rejser et interessant spørgsmål. Hver fugls adfærd er korreleret med dens nærmeste naboer, men under almindelige forhold bør denne korrelation falde over en karakteristisk afstandsskala, normalt ikke meget længere end afstanden mellem fuglene selv.

Så ved denne tankegang kan kun nabofugle synkroniseres og skabe små uafhængige grupper.

Hvordan kan hele flokken så blive synkroniseret? Det er her, lidt fysik kommer til nytte. Fysikere har længe kendt til faseændringer i systemer, hvor en lille ændring i én parameter kan føre til en enorm ændring i systemets bulk egenskaber.

Et berømt eksempel er en magnet, hvor en lille ændring i temperaturen får spins i en magnet til pludselig at justere. Under denne temperatur er bulk-adfærden som en magnet, under denne temperatur er materialet ikke en magnet.

Den vigtige pointe er imidlertid, at når denne ændring sker, bliver spins, der er adskilt af store afstande, korreleret. Faktisk bliver korrelationsskalaen uendelig stor.

Det punkt, hvor dette sker i et system, er kendt som et kritisk punkt. Hvad der synes klart om flok er, at det også kun kan forekomme på et kritisk punkt, hvor korrelationsskalaen strækker sig over hele flokken. Når dette sker, opfører alle de små grupper af nabofugle sig som én, hvilket er det, der skaber den karakteristiske flokkeadfærd.

Denne kritiske adfærd falder naturligt ud af den model, som Bialek og co har skabt, og som de med stor tydelighed beskriver som som et system af kilder, der forbinder hver fugl med dens nærmeste naboer, og som kan indstilles på en måde, der ændrer den indflydelse, de har. på hinanden.

Ved første øjekast virker det bemærkelsesværdigt, at den komplekse adfærd hos et så stort antal individuelle organismer kan være så fint afbalanceret til at fungere på et kritisk punkt.

Biologisk set kan fugle variere deres hastigheder enten af ​​individuelle årsager eller for at følge deres naboer, parallelt med de konkurrerende kræfter fanget i modellen. I dette sprog er det kritiske punkt stedet, hvor sociale kræfter overvælder individuelle præferencer, siger Bialek og co.

Men det antyder, at der er noget særligt ved fuglenes sociale adfærd, der fører til dette kritiske punkt. Det er ikke klart, hvordan fugle håndterer de sociale interaktioner, men de giver helt sikkert en kæmpe fordel. Når en flok opererer væk fra det kritiske punkt, kan en fugl i udkanten af ​​flokken kun påvirke sine nærmeste naboer, når et rovdyr nærmer sig.

Men alt det ændrer sig, når flokken opererer på det kritiske punkt. I så fald kan et individ, der får øje på et rovdyr, påvirke hele flokkens adfærd. Der er faktisk meget bevis for, at flokke er bemærkelsesværdigt immune over for rovdyrangreb. Vi ved, at angreb fra rovdyr på en flok har meget lave succesrater, siger Bialek og co.

Det er et fascinerende indblik i den komplekse fysik bag et bemærkelsesværdigt og smukt biologisk fænomen. Det kan også give indsigt i, hvordan kunstige systemer kan udnytte kritikalitet. Det er ikke svært at forestille sig, hvordan denne adfærd kan være nyttig til at kontrollere sværme af robotter eller endda fra at dirigere information på tværs af netværk.

Ref: arxiv.org/abs/1307.5563 : Sociale interaktioner dominerer hastighedskontrol i at drive naturlige flokke mod kritiskhed

skjule