211service.com
Computer Vision onthult het opmerkelijke geheim van stroomden
Bekijk een paar minuten een zwerm spreeuwen en het is gemakkelijk om zijn opmerkelijke gedrag te zien. De vogels lijken synchroon te bewegen, ook al kunnen ze worden gescheiden door de breedte van de kudde zelf. Op de een of andere manier moet de beweging van vogels aan weerszijden van de kudde gecorreleerd zijn, ook al kunnen ze alleen redelijkerwijs communiceren met hun naaste buren.
Hoe dit gebeurt, is het onderwerp van veel fascinatie geweest. Een manier om dit probleem aan te pakken is om het stroomgedrag op een computer te simuleren, de simulatie te vergelijken met het daadwerkelijke stroomgedrag en het daarmee te proberen te verklaren.
Dit heeft zeker interessante inzichten opgeleverd, maar het lijdt onder een ernstig gebrek aan gedetailleerde metingen van echt vogelgedrag in grootschalige koppels. Dat is onlangs veranderd met de komst van geavanceerde computervisietechnieken die de positie en snelheid van een groot aantal bewegende objecten in een enkel frame kunnen meten.
Tegenwoordig gebruiken William Bialek van de Princeton University en een paar vrienden deze nieuwe gegevens om het eenvoudigste theoretische model te bouwen dat het werkelijke gedrag van echte koppels kan reproduceren.
Hun model levert een opmerkelijk inzicht op. Ze zeggen dat zwermen spreeuwen in een heel speciale fysieke staat opereren, waardoor de correlaties tussen individuele vogels min of meer oneindig kunnen worden uitgebreid, in dit geval over de gehele breedte van de zwerm.
Bialek en co beginnen met het analyseren van de positie en snelheid van tussen de 122 en 4268 spreeuwen in 21 verschillende stroomversnellingen. Ze gebruiken deze gegevens om de correlaties te berekenen tussen de beweging van individuele vogels in het koppel en de variantie van hun snelheden ten opzichte van het gemiddelde.
Uit deze metingen blijkt dat het gedrag van de vogels buitengewoon nauwkeurig is afgesteld. Individuele vogels vliegen met snelheden die sterk lijken op die van hun buren. Met andere woorden, ze komen overeen met zowel de snelheid als de richting van vogels die in de buurt vliegen.
Dit roept een interessante vraag op. Het gedrag van elke vogel is gecorreleerd met zijn naaste buren, maar onder normale omstandigheden zou deze correlatie moeten afnemen over een karakteristieke afstandsschaal, meestal niet veel verder dan de afstand tussen de vogels zelf.
Dus door deze manier van denken kunnen alleen naburige vogels worden gesynchroniseerd, waardoor kleine onafhankelijke groepen ontstaan.
Hoe kan dan de hele kudde gesynchroniseerd worden? Dit is waar een beetje natuurkunde van pas komt. Natuurkundigen zijn al lang bekend met faseveranderingen in systemen waarbij een kleine verandering in één parameter kan leiden tot een enorme verandering in de bulkeigenschappen van het systeem.
Een beroemd voorbeeld is een magneet waarbij een kleine verandering in temperatuur ervoor zorgt dat de spins in een magneet plotseling op één lijn komen te staan. Beneden deze temperatuur is het bulkgedrag als een magneet, onder deze temperatuur is het materiaal geen magneet.
Het belangrijke punt is echter dat wanneer deze verandering plaatsvindt, spins die door grote afstanden van elkaar zijn gescheiden, gecorreleerd raken. In feite wordt de correlatieschaal oneindig groot.
Het punt waarop dit in een systeem gebeurt, staat bekend als een kritiek punt. Wat duidelijk lijkt over kuddegedrag, is dat het ook alleen kan voorkomen op een kritiek punt waar de correlatieschaal zich uitstrekt over het hele koppel. Wanneer dit gebeurt, gedragen alle kleine groepen naburige vogels zich als één geheel, wat het kenmerkende zwermgedrag creëert.
Dit kritische gedrag valt natuurlijk buiten het model dat Bialek en co hebben gecreëerd en dat ze met grote duidelijkheid beschrijven als een systeem van veren dat elke vogel verbindt met zijn naaste buren en dat kan worden afgestemd op een manier die de invloed die ze hebben verandert. op elkaar.
Op het eerste gezicht lijkt het opmerkelijk dat het complexe gedrag van zo'n groot aantal individuele organismen zo fijn uitgebalanceerd kan worden om op een kritiek punt te opereren.
Biologisch gezien kunnen vogels hun snelheid variëren om individuele redenen of om hun buren te volgen, parallel aan de concurrerende krachten die in het model zijn vastgelegd. In deze taal is het kritieke punt de plaats waar sociale krachten de individuele voorkeuren overweldigen, zeggen Bialek en co.
Maar dat houdt in dat er iets speciaals is aan het sociale gedrag van vogels dat tot dit kritieke punt leidt. Hoe vogels de sociale interacties beheren, is niet duidelijk, maar ze bieden zeker een enorm voordeel. Wanneer een zwerm weg van het kritieke punt opereert, kan een vogel aan de rand van de zwerm zijn naaste buren alleen beïnvloeden wanneer een roofdier nadert.
Maar dat verandert allemaal wanneer de kudde op het kritieke punt werkt. In dat geval kan een individu dat een roofdier ziet het gedrag van de hele kudde beïnvloeden. Er is inderdaad veel bewijs dat koppels opmerkelijk immuun zijn voor aanvallen van roofdieren. We weten dat aanvallen door roofdieren op een kudde zeer lage slagingspercentages hebben, zeggen Bialek en co.
Dat is een fascinerend inzicht in de complexe fysica achter een opmerkelijk en mooi biologisch fenomeen. Het kan ook inzicht verschaffen in hoe kunstmatige systemen kritiek kunnen uitbuiten. Het is niet moeilijk voor te stellen hoe dit gedrag nuttig kan zijn voor het besturen van zwermen robots of zelfs voor het routeren van informatie over netwerken.
Referentie: arxiv.org/abs/1307.5563 : Sociale interacties domineren snelheidsregeling bij het sturen van natuurlijke kuddes naar kritieke