Войти
Стая конюков ведет себя как рой Роевое поведение, или роение, - это коллективное поведение, проявляемое сущностями, особенно животными, сходного размера, которые собираются вместе, возможно, копошатся в одном месте или, возможно, перемещаются в массовом порядке или мигрируют в каком-то направлении. Это в высшей степени междисциплинарная тема. Термин « роение» применяется, в частности, к насекомым, но также может применяться к любому другому объекту или животному, проявляющему поведение роя. Термин флокирование или murmuration может относиться конкретно к поведению роя у птиц, пастушьи ссылаться на поведение роя в четвероногих, и мелел или школьный для обозначения поведения роя в рыбе. Фитопланктон также собирается в огромные стаи, называемые цветками, хотя эти организмы являются водорослями и не являются самоходными, как животные. В более широком смысле, термин «рой» применяется также к неодушевленным лицам, которые демонстрируют параллельные модели поведения, как в робота роя, с роя землетрясений или рой звезд.
С более абстрактной точки зрения поведение роя - это коллективное движение большого количества самоходных сущностей. С точки зрения разработчика математических моделей, это эмерджентное поведение, возникающее из простых правил, которым следуют люди, и не требует какой-либо центральной координации. Поведение роя также изучается физиками активной материи как явление, которое не находится в термодинамическом равновесии, и как таковое требует разработки инструментов, выходящих за рамки тех, которые доступны из статистической физики систем в термодинамическом равновесии. В этом отношении роение сравнивают с математикой сверхтекучих жидкостей, особенно в контексте стай скворцов (бормотание).
Поведение роя было впервые смоделировано на компьютере в 1986 году с помощью программы моделирования boids. Эта программа имитирует простых агентов (боидов), которым разрешено перемещаться в соответствии с набором основных правил. Изначально модель была разработана для имитации стайного поведения птиц, но ее также можно применить к стайным рыбам и другим стайным существам.
В последние десятилетия ученые обратились к моделированию поведения роя, чтобы лучше понять это поведение.
В модели метрического расстояния косяка рыб (слева) фокусная рыба (желтая) обращает внимание на всех рыб в пределах небольшой зоны отталкивания (красный), зоны совмещения (светло-красный) и большей зоны притяжения (самой светлой). красный). В модели топологического расстояния (справа) фокусная рыба обращает внимание только на шесть или семь ближайших рыб (зеленые), независимо от их расстояния. | Внешние изображения | |
|---|---|
 Моделирование Boids | |
| iFloys моделирование | |
| Моделирование Эфлоев |
В ранних исследованиях поведения роя использовались математические модели для моделирования и понимания поведения. Простейшие математические модели стаи животных обычно представляют отдельных животных в соответствии с тремя правилами:
Boids компьютерная программа, созданная Craig Reynolds в 1986 году, моделирует поведение роя следуя вышеуказанным правилам. Многие последующие и текущие модели используют вариации этих правил, часто реализуя их посредством концентрических «зон» вокруг каждого животного. В «зоне отталкивания», очень близко к животному, фокусное животное будет стремиться дистанцироваться от своих соседей, чтобы избежать столкновения. Чуть дальше, в «зоне выравнивания», фокусное животное будет стремиться выровнять направление своего движения со своими соседями. В самой внешней «зоне притяжения», которая простирается настолько далеко от фокусного животного, насколько оно может ощущать, фокусное животное будет стремиться двигаться к соседу.
На форму этих зон обязательно будут влиять сенсорные возможности данного животного. Например, поле зрения птицы не распространяется за ее тело. Рыбы полагаются как на зрение, так и на гидродинамические ощущения, передаваемые через их боковые линии, в то время как антарктический криль полагается как на зрение, так и на гидродинамические сигналы, передаваемые через антенны.
Однако недавние исследования стай скворцов показали, что каждая птица меняет свое положение относительно шести или семи животных, непосредственно окружающих ее, независимо от того, насколько близко или насколько далеко эти животные находятся. Таким образом, взаимодействия между стайными скворцами основаны на топологическом, а не на метрическом правиле. Еще неизвестно, применимо ли это к другим животным. Другое недавнее исследование, основанное на анализе видеозаписей с высокоскоростной камеры стад над Римом и при допущении минимальных правил поведения, убедительно смоделировало ряд аспектов поведения стаи.
Чтобы понять, почему животные развивают стайное поведение, ученые обратились к эволюционным моделям, имитирующим популяции развивающихся животных. Обычно в этих исследованиях используется генетический алгоритм для моделирования эволюции многих поколений. В этих исследованиях был исследован ряд гипотез, пытающихся объяснить, почему животные развивают стайное поведение, таких как эгоистичная теория стада, эффект замешательства хищников, эффект разбавления и теория многих глаз.
Стаи птиц - пример самоорганизации в биологии. Смотрите также: Самоорганизация и биологическая организация Концепция эмерджентности - что свойства и функции, обнаруженные на иерархическом уровне, отсутствуют и не имеют отношения к более низким уровням - часто является основным принципом, лежащим в основе самоорганизующихся систем. Пример самоорганизации в биологии, ведущей к появлению в естественном мире, происходит в колониях муравьев. Королева не отдает прямых приказов и не говорит муравьям, что им делать. Вместо этого каждый муравей реагирует на раздражители в виде химических запахов от личинок, других муравьев, злоумышленников, пищи и накоплений отходов, и оставляет за собой химический след, который, в свою очередь, является стимулом для других муравьев. Здесь каждый муравей представляет собой автономную единицу, которая реагирует только в зависимости от своей локальной среды и генетически закодированных правил для его разновидности. Несмотря на отсутствие централизованного принятия решений, колонии муравьев демонстрируют сложное поведение и даже смогли продемонстрировать способность решать геометрические задачи. Например, колонии обычно находят максимальное расстояние от всех входов в колонию, чтобы избавиться от трупов.
Еще одно ключевое понятие в области интеллекта роя - стигмергия. Стигмергия - это механизм косвенной координации между агентами или действиями. Принцип состоит в том, что след, оставленный в окружающей среде действием, стимулирует выполнение следующего действия тем же или другим агентом. Таким образом, последующие действия имеют тенденцию усиливать и дополнять друг друга, что приводит к спонтанному возникновению согласованной, очевидно систематической деятельности. Стигмергия - это форма самоорганизации. Он создает сложные, на первый взгляд разумные структуры, без необходимости какого-либо планирования, контроля или даже прямой связи между агентами. Таким образом, он поддерживает эффективное сотрудничество между чрезвычайно простыми агентами, которым не хватает памяти, интеллекта или даже осведомленности друг о друге.
Swarm интеллект является коллективное поведение в децентрализованные, самоорганизующихся систем, природных или искусственных. Концепция используется в работе над искусственным интеллектом. Выражение было введено Херардо Бени и Цзин Ван в 1989 году в контексте клеточных роботизированных систем.
Системы разведки роя обычно состоят из совокупности простых агентов, таких как боиды, локально взаимодействующих друг с другом и со своей средой. Агенты следуют очень простым правилам, и хотя не существует централизованной структуры управления, определяющей, как отдельные агенты должны вести себя, локальные и в определенной степени случайные, взаимодействия между такими агентами приводят к появлению разумного глобального поведения, неизвестного отдельным агентам.
Исследование интеллекта роя носит междисциплинарный характер. Его можно разделить на исследования естественного роя, изучающие биологические системы, и исследования искусственного роя, изучающие человеческие артефакты. Существует также научный поток, пытающийся смоделировать сами системы роя и понять лежащие в их основе механизмы, и поток инженеров, сосредоточенный на применении идей, разработанных научным потоком, для решения практических проблем в других областях.
Алгоритмы Swarm следуют лагранжевому подходу или эйлерову подходу. Эйлеров подход рассматривает рой как поле, работая с плотностью роя и определяя свойства среднего поля. Это гидродинамический подход, который может быть полезен для моделирования общей динамики больших скоплений. Однако большинство моделей работают с лагранжевым подходом, который представляет собой агентно-ориентированную модель, отслеживающую отдельных агентов (точек или частиц), составляющих рой. Модели отдельных частиц могут следовать информации о заголовке и расстоянии, которая теряется в эйлеровом подходе.
| Внешний образ | |
|---|---|
| Роботы Swarmanoid нашли кратчайший путь через двойной мост |
Оптимизация колонии муравьев - это широко используемый алгоритм, который был вдохновлен поведением муравьев и эффективно решал задачи дискретной оптимизации, связанные с роением. Алгоритм был первоначально предложен Марко Дориго в 1992 году и с тех пор был расширен для решения более широкого класса численных задач. У видов, у которых есть несколько маток, королева может покидать гнездо вместе с некоторыми рабочими, чтобы основать колонию на новом месте, процесс похож на роение медоносных пчел.
| Внешнее видео | |
|---|---|
 Интерактивное моделирование модели SPP - требуется Java |
Концепция самоходных частиц (SPP) была введена в 1995 году Тамашем Вичеком и др. как частный случай модели боидов, введенной в 1986 году Рейнольдсом. Рой SPP моделируется набором частиц, которые движутся с постоянной скоростью и реагируют на случайные возмущения, принимая при каждом приращении среднее направление движения других частиц в их локальной окрестности.
Моделирование демонстрирует, что подходящее «правило ближайшего соседа» в конечном итоге приводит к скоплению всех частиц вместе или движению в одном направлении. Это возникает, даже если нет централизованной координации, и даже если соседи для каждой частицы постоянно меняются с течением времени. Модели SPP предсказывают, что роящиеся животные обладают определенными свойствами на уровне группы, независимо от типа животных в стае. Системы роения порождают эмерджентное поведение, которое проявляется во многих различных масштабах, некоторые из которых одновременно универсальны и устойчивы. В теоретической физике стало проблемой найти минимальные статистические модели, отражающие такое поведение.
Оптимизация роя частиц - еще один алгоритм, широко используемый для решения проблем, связанных с роем. Он был разработан в 1995 году Кеннеди и Эберхартом и сначала был направлен на моделирование социального поведения и хореографии стай птиц и косяков рыб. Алгоритм был упрощен, и было замечено, что выполняется оптимизация. Сначала система подбирает случайные решения для популяции. Затем он ищет в пространстве проблем через последовательные поколения, используя стохастическую оптимизацию, чтобы найти лучшие решения. Найденные решения называются частицами. Каждая частица сохраняет свое положение, а также лучшее решение, которое она достигла до сих пор. Оптимизатор роя частиц отслеживает лучшее локальное значение, полученное на данный момент любой частицей в локальной окрестности. Оставшиеся частицы затем движутся через проблемное пространство вслед за оптимальными частицами. На каждой временной итерации оптимизатор роя частиц ускоряет каждую частицу в направлении ее оптимального местоположения в соответствии с простыми математическими правилами. Оптимизация роя частиц применяется во многих областях. У него есть несколько параметров для настройки, и версия, которая хорошо работает для определенных приложений, также может хорошо работать с небольшими изменениями в ряде связанных приложений. В книге Кеннеди и Эберхарта описаны некоторые философские аспекты приложений оптимизации роя частиц и интеллекта роя. Poli проводит обширный обзор приложений.
Исследователи из Швейцарии разработали алгоритм, основанный на правиле отбора родственников Гамильтона. Алгоритм показывает, как альтруизм в стае сущностей может со временем развиваться и приводить к более эффективному поведению роя.
Линейное скопление Ampyx priscus Самые ранние свидетельства поведения роя у животных датируются примерно 480 миллионами лет. Окаменелости трилобита Ampyx priscus недавно были описаны как сгруппированные линиями вдоль дна океана. Все животные были взрослыми особями и смотрели в одном направлении, как если бы они образовали линию конги или пелотон. Было высказано предположение, что они выстраиваются таким образом для миграции, подобно тому как колючие лобстеры мигрируют в однофайловых очередях. Или, возможно, они собираются вместе для спаривания, как с мухой Leptoconops torrens. Полученные данные свидетельствуют о том, что коллективное поведение животных имеет очень раннее эволюционное происхождение.
Примеры биологических роения встречаются в птичьи стаи, стай рыб, рои насекомых, бактерий роев, плесени, молекулярные моторы, четвероногое стада и людей.
Воспроизвести медиа Рой нематоцер, летающих вокруг верхушки дерева Поведение социальных насекомых (насекомых, которые живут колониями, таких как муравьи, пчелы, осы и термиты) всегда было источником восхищения для детей, естествоиспытателей и художников. Кажется, что отдельные насекомые занимаются своими делами без какого-либо централизованного контроля, но все же колония в целом ведет себя очень скоординированно. Исследователи обнаружили, что сотрудничество на уровне колонии в значительной степени самоорганизовано. Возникающая групповая координация часто является просто следствием того, как люди в колонии взаимодействуют. Эти взаимодействия могут быть удивительно простыми, например, один муравей просто следует по следу, оставленному другим муравьем. Тем не менее, совокупный эффект такого поведения может решить очень сложные проблемы, такие как определение кратчайшего маршрута в сети возможных путей к источнику пищи. Организованное поведение, которое возникает таким образом, иногда называют интеллектом роя, формой биологического возникновения.
Воспроизвести медиа Стая муравьев-ткачей ( Oecophylla smaragdina ), перевозящих мертвого геккона Отдельные муравьи не проявляют сложного поведения, однако колония муравьев коллективно решает сложные задачи, такие как строительство гнезд, уход за своими детенышами, строительство мостов и добыча пищи. Колония муравьев может коллективно выбирать (т. Е. Направлять большинство рабочих к) лучший или ближайший источник пищи из нескольких поблизости. Такие коллективные решения принимаются с использованием механизмов положительной обратной связи. Муравьи выбирают лучший источник пищи, следуя двум простым правилам. Во-первых, муравьи, которые находят пищу, возвращаются в гнездо, откладывая химический феромон. Больше феромона закладывается для более качественных источников пищи. Таким образом, если одновременно обнаруживаются два равноудаленных источника пищи разного качества, след феромона к лучшему будет сильнее. Муравьи в гнезде следуют еще одному простому правилу, предпочитая в среднем более сильные тропы. Затем большее количество муравьев следует по более сильному следу, поэтому больше муравьев прибывает к источнику высококачественной пищи, а цикл положительной обратной связи обеспечивает принятие коллективного решения о лучшем источнике пищи. Если от муравейника до источника пищи два пути, то обычно колония выбирает более короткий путь. Это связано с тем, что муравьи, которые первыми возвращаются в гнездо из источника пищи, с большей вероятностью будут теми, кто выбрал более короткий путь. Затем другие муравьи возвращаются по более короткому пути, усиливая феромоновый след.
Армейские муравьи, в отличие от большинства видов муравьев, не строят постоянных гнезд; колония армейских муравьев почти непрерывно перемещается в течение всего времени своего существования, оставаясь по существу в постоянном состоянии роения. Несколько линий независимо развили один и тот же базовый поведенческий и экологический синдром, часто называемый «легионерским поведением», и может быть примером конвергентной эволюции.
Успешные методы, используемые колониями муравьев, изучались в информатике и робототехнике для создания распределенных и отказоустойчивых систем для решения проблем. Эта область биомиметики привела к исследованиям передвижения муравьев, поисковым машинам, которые используют «следы сбора пищи», отказоустойчивое хранилище и сетевые алгоритмы.
Пчелы роятся на дереве Основные статьи: алгоритм пчел и роение (медоносная пчела) В умеренном климате медоносные пчелы обычно собирают стаи в конце весны. Рой обычно содержит около половины рабочих вместе со старой маткой, в то время как новая королева остается с оставшимися рабочими в исходном улье. Когда медоносные пчелы выходят из улья и образуют рой, они могут собираться на ветке дерева или кусте всего в нескольких метрах от улья. Пчелы собираются вокруг королевы и отправляют 20–50 разведчиков, чтобы найти подходящие новые места для гнезд. Разведчики - самые опытные фуражиры в скоплении. Если разведчик находит подходящее место, он возвращается в кластер и продвигает его, танцуя версию танца виляния. Этот танец передает информацию о качестве, направлении и расстоянии до нового сайта. Чем больше она взволнована своими открытиями, тем энергичнее танцует. Если ей удастся убедить других, они могут уйти и проверить сайт, который она нашла. Если они одобрят, они также могут продвигать его. В процессе принятия решения скауты проверяют несколько сайтов, часто отказываясь от своего исходного сайта, чтобы продвигать лучший сайт другого скаута. Сначала разные скауты могут продвигать несколько разных сайтов. Спустя несколько часов, а иногда и дней, предпочтительное место в конечном итоге появляется в результате этого процесса принятия решения. Когда все разведчики согласовывают окончательное местоположение, весь кластер взлетает и устремляется к нему. Иногда, если решение не принято, рой отделяется, и некоторые пчелы идут в одном направлении; другие, переходя в другой. Обычно это заканчивается неудачей, когда обе группы умирают. Новое место, как правило, находится в километре или более от исходного улья, хотя некоторые виды, например Apis dorsata, могут создавать новые колонии в пределах всего 500 метров от родового гнезда. Этот процесс коллективного принятия решений чрезвычайно успешен в определении наиболее подходящего нового места для гнездования и сохранении роя в целости и сохранности. Хорошее место для улья должно быть достаточно большим, чтобы вместить рой (около 15 литров в объеме), должно быть хорошо защищено от непогоды, получать оптимальное количество солнечного света, находиться на некоторой высоте над землей, иметь небольшой вход и быть способным противостоять заражению муравьями - поэтому часто выбирают дупла деревьев.
В отличие от социальных насекомых, стаи несоциальных насекомых, которые были изучены в первую очередь, похоже, функционируют в таких контекстах, как спаривание, кормление, избегание хищников и миграция.
Бабочки могут демонстрировать синхронизированное спаривание, во время которого феромоны, выделяемые самками, инициируют поиск и роение у самцов. Самцы чувствуют феромоны с помощью чувствительных антенн и могут выслеживать самок на расстоянии нескольких километров. Спаривание роя включает выбор самки и соревнование самцов. Только один самец в стае - обычно первый - успешно совокупляется. Женщины максимизируют преимущества фитнеса и минимизируют затраты, управляя началом и величиной задействованного феромона. В то время как слишком мало феромона не привлечет партнера, слишком большое количество позволяет менее приспособленным самцам уловить сигнал. После совокупления самки откладывают яйца на растение-хозяин. Качество растения-хозяина может быть фактором, влияющим на место роения и яйцекладки. В одном случае исследователи наблюдали розово-полосатую моли дубового червя ( Anisota virginiensis ), роющуюся на участке падальщика, где разложение, вероятно, повысило уровень питательных веществ в почве и качество растения-хозяина.
Мошки, такие как Tokunagayusurika akamusi, образуют стаи, танцуют в воздухе. Рой служит нескольким целям, включая облегчение спаривания за счет привлечения самок к рою, явление, известное как спаривание лек. Такие похожие на облака рои часто образуются ранним вечером, когда солнце садится, на вершине куста, на вершине холма, над водоемом или даже иногда над человеком. Формирование таких стай происходит не по инстинкту, а в результате адаптивного поведения - «консенсуса» - между особями внутри стай. Также предполагается, что роение - это ритуал, потому что самцы мошек редко встречаются сами по себе, а не в стае. Это могло произойти из-за преимущества снижения инбридинга, когда самцы разных генов собирались в одном месте. Род Culicoides, также известный как мокрецы, демонстрировал роящееся поведение, которое, как считается, вызывает замешательство у хищников.
Тараканы оставляют химические следы в своих фекалиях, а также выделяют воздушные феромоны для спаривания. Другие тараканы будут следовать по этим следам, чтобы обнаружить источники пищи и воды, а также обнаружить, где прячутся другие тараканы. Таким образом, группы тараканов могут проявлять эмерджентное поведение, при котором поведение группы или стаи возникает из простого набора индивидуальных взаимодействий.
Тараканы в основном ведут ночной образ жизни и убегают на свет. В ходе исследования была проверена гипотеза о том, что тараканы используют только две части информации, чтобы решить, куда идти в этих условиях: насколько темно и сколько еще тараканов. Исследование, проведенное Хосе Халлой и его коллегами из Свободного университета Брюсселя и других европейских институтов, создало набор крошечных роботов, которые кажутся тараканам как другие тараканы и, таким образом, могут изменить восприятие тараканами критической массы. Роботы также были специально ароматизированы, чтобы их могли принять настоящие тараканы.
Изображение стаи пустынной саранчи XIX века. Саранча - стадия роения короткорогих кузнечиков семейства Acrididae. Некоторые виды могут быстро размножаться в подходящих условиях и впоследствии становиться стадными и мигрирующими. Они образуют группы в виде нимф и стаи, когда взрослые особи - оба могут преодолевать большие расстояния, быстро зачищая поля и сильно повреждая посевы. Самые большие стаи могут покрывать сотни квадратных миль и содержать миллиарды саранчи. Саранча может съедать растения своей массой (около 2 граммов) каждый день. Это означает, что один миллион саранчовых может съедать более одной тонны пищи каждый день, а самые большие стаи могут потреблять более 100 000 тонн в день.
Было обнаружено, что скопление саранчи связано с повышенным уровнем серотонина, из-за которого саранча меняет цвет, ест гораздо больше, становится взаимно привлекательной и намного легче размножается. Исследователи предполагают, что роение - это реакция на перенаселенность, и исследования показали, что усиленная тактильная стимуляция задних ног или, у некоторых видов, просто встреча с другими людьми вызывает повышение уровня серотонина. Превращение саранчи в роящуюся разновидность может быть вызвано несколькими контактами в минуту в течение четырехчасового периода. Примечательно, что врожденная предрасположенность к агрегации была обнаружена у птенцов пустынной саранчи, Schistocerca gregaria, независимо от их родительской фазы.
Реакция отдельной саранчи на потерю выравнивания в группе, кажется, увеличивает случайность ее движения, пока снова не будет достигнуто выравниваемое состояние. Это вызванное шумом выравнивание, по-видимому, является внутренней характеристикой коллективного когерентного движения.
Группа бабочек-монархов. Бабочки-монархи мигрируют в Санта-Крус, Калифорния, где они зимуют. Основная статья: Миграция насекомых Смотрите также: миграция чешуекрылых. Миграция насекомых - это сезонное перемещение насекомых, особенно стрекоз, жуков, бабочек и мотыльков. Расстояние может варьироваться от вида к виду, но в большинстве случаев в этих перемещениях участвует большое количество особей. В некоторых случаях особи, которые мигрируют в одном направлении, могут не вернуться, а следующее поколение может вместо этого мигрировать в противоположном направлении. Это существенное отличие от миграции птиц.
Бабочки-монархи особенно известны своей продолжительной ежегодной миграцией. В Северной Америке они совершают массовые миграции на юг, начиная с августа до первых заморозков. Весной происходит миграция на север. Монарх - единственная бабочка, которая регулярно мигрирует как на север, так и на юг, как и птицы. Но ни один человек не может пройти весь путь туда и обратно. Во время миграций самки-монархи откладывают яйца для следующего поколения. Продолжительность этих путешествий превышает нормальную продолжительность жизни большинства монархов, которая составляет менее двух месяцев для бабочек, рожденных в начале лета. Последнее поколение лета вступает в фазу нерепродуктивного возраста, известную как диапауза, и может прожить семь месяцев и более. Во время диапаузы бабочки прилетают к одному из многих мест зимовки. Поколение, которое зимует, обычно не размножается, пока не покинет место зимовки где-то в феврале или марте. Это второе, третье и четвертое поколения, которые весной возвращаются на свои северные территории в Соединенных Штатах и Канаде. Как этому виду удается вернуться на одни и те же места зимовки через промежуток в несколько поколений, все еще остается предметом исследования; схемы полета, по-видимому, унаследованы на основе комбинации положения Солнца в небе и солнечного компаса с компенсацией по времени, который зависит от циркадных часов, которые базируются на их антеннах.
Недавние исследования стай скворцов показали, что каждая птица меняет свое положение относительно шести или семи животных, непосредственно окружающих ее, независимо от того, насколько близко или насколько далеко находятся эти животные. Ропот скворцов Основная статья: Флокирование (поведение) Смотрите также: Flock (птицы), птица посадки, птица забастовки, Mixed-виды нагула стадо, и поведение Mobbing 
Крупные птицы обычно мигрируют эшелонированными образованиями. Есть значительные аэродинамические преимущества. Все птицы могут видеть вперед и в одну сторону, что обеспечивает хорошую защиту. Основная статья: Миграция птиц См. Также: Обратная миграция (птицы) Примерно 1800 из 10 000 видов птиц в мире являются дальними мигрантами. Похоже, что основной мотивацией миграции является еда; например, некоторые колибри предпочитают не мигрировать, если кормятся зимой. Кроме того, более длинные дни северного лета предоставляют больше времени для размножающихся птиц, чтобы выкармливать своих птенцов. Это помогает дневным птицам производить более крупные кладки, чем родственные немигрирующие виды, которые остаются в тропиках. Осенью дни укорачиваются, и птицы возвращаются в более теплые регионы, где доступный запас пищи мало меняется в зависимости от сезона. Эти преимущества компенсируют высокий стресс, затраты на физические нагрузки и другие риски миграции, такие как хищничество.
Многие птицы летают стаями. Предполагается, что для более крупных птиц полет стайками снижает затраты на электроэнергию. Часто предполагается, что V-образная форма повышает эффективность и дальность полета птиц, особенно на длинных миграционных маршрутах. Все птицы, кроме первой, прилетают в поток одного из вихрей на концах крыльев птицы впереди. Приливная волна помогает каждой птице выдерживать собственный вес в полете, точно так же, как планер может подниматься или удерживать высоту неопределенно долго в восходящем воздухе. Гуси, летящие V-образным строем, экономят энергию, летая в восходящем потоке вихря кончиков крыльев, созданного предыдущим животным в формации. Таким образом, летящим сзади птицам не нужно прилагать столько усилий, чтобы достичь подъемной силы. Исследования показывают, что птицы в форме буквы V располагаются примерно на оптимальном расстоянии, предсказанном простой аэродинамической теорией. Гуси в V-образной формации могут сэкономить 12–20% энергии, необходимой им для полета в одиночку. В ходе радиолокационных исследований было обнаружено, что красные сучки и черзки летают стаями на 5 км в час быстрее, чем в одиночку. Птицы, летящие на концах и спереди, своевременно циклически вращаются, чтобы равномерно распределять усталость от полета между членами стаи. Построение также облегчает общение и позволяет птицам поддерживать визуальный контакт друг с другом.
Воспроизвести медиа Обыкновенные скворцы | Внешнее видео | |
|---|---|
| Сцена миграции омаров - из "Испытаний жизни" |
Другие животные могут использовать аналогичные методы рисования во время миграции. Лобстеры, например, мигрируют плотными одиночными группами «поезда омаров», иногда на сотни миль.
Средиземное и другие моря представляют собой серьезное препятствие для парящих птиц, которые должны пересекать границы в самых узких местах. Огромное количество крупных хищных птиц и аистов проходит через такие районы, как Гибралтар, Фальстербо и Босфор во время миграции. Более распространенные виды, такие как европейский канюк, осенью могут насчитывать сотни тысяч. Другие препятствия, такие как горные хребты, также могут вызывать воронку, особенно крупных дневных мигрантов. Это заметный фактор, затрудняющий миграцию в Центральной Америке. Такое скопление птиц во время миграции может подвергнуть их риску. Некоторые впечатляющие мигранты уже вымерли, самым известным из которых является странствующий голубь. Во время миграции стая составляла милю (1,6 км) в ширину и 300 миль (500 км) в длину, проходя через несколько дней и содержало до миллиарда птиц.
Стайные хищники на размер больше стайных анчоусов | Внешний образ | |
|---|---|
| Эффективность кормодобывания |
Термин «косяк» может использоваться для описания любой группы рыб, в том числе смешанных видов, в то время как «косяк» используется для более тесно связанных групп одного и того же вида, плавающих высоко синхронизированным и поляризованным образом.
Рыбы извлекают много пользы из поведения косяка, включая защиту от хищников (за счет лучшего обнаружения хищников и уменьшения вероятности поимки), повышения успешности поиска пищи и более высоких успехов в поиске партнера. Также вероятно, что принадлежность к мелководью выгодна рыбе за счет повышения гидродинамической эффективности.
Рыбы используют множество черт для выбора ближайших стаей. Как правило, они предпочитают более крупные стаи, скоплений стаи своего вида, сородичей, похожих по размеру и внешнему виду на них самих, здоровых рыб и родственников (если они распознаются). «Эффект странности» предполагает, что любой выделяющийся на вид член мелководья будет предпочтительно подвергаться нападению хищников. Это может объяснить, почему рыбы предпочитают держаться на мелководье с похожими на них особями. Таким образом, эффект странности приведет к гомогенизации косяков.
Один из загадочных аспектов выбора стаи - это то, как рыба может присоединиться к стае животных, похожих на нее, при условии, что она не может знать своего внешнего вида. Эксперименты с рыбками данио показали, что предпочтение стада - это приобретенная способность, а не врожденная. Рыба данио имеет тенденцию ассоциироваться с косяками, которые напоминают косяки, на которых они выращивались, - своего рода отпечаток.
Другие открытые вопросы поведения на мелководье включают определение того, какие особи ответственны за направление движения мелководья. В случае миграционного движения большинство представителей мелководья, кажется, знают, куда они направляются. Что касается кормодобывания, то стайки золотистого шайнера (разновидность гольяна ) возглавляются небольшим количеством опытных особей, знающих, когда и где можно найти пищу.
По оценке Радакова, косяки сельди в Северной Атлантике могут занимать до 4,8 кубических километров при плотности рыбы от 0,5 до 1,0 особи на кубический метр. Это несколько миллиардов рыб в одной косе.
Смотрите также: История жизни угря| Внешний образ | |
|---|---|
| Видеоклип "Сардинский бег" |
В период с мая по июль огромное количество сардин нерестится в прохладных водах берега Агульяс, а затем следуют за течением холодной воды на север вдоль восточного побережья Южной Африки. Эта великая миграция, называемая бегом сардин, вызывает захватывающее безумие кормления вдоль береговой линии, когда морские хищники, такие как дельфины, акулы и олуши, атакуют стаи.
Рой криля Большинство криля, мелких креветкообразных ракообразных, образуют большие стаи, иногда достигающие плотности 10 000–60 000 особей на кубический метр. Рой - это защитный механизм, сбивающий с толку более мелких хищников, которые хотели бы выбрать отдельных особей. Самые большие рои видны из космоса и могут быть отслежены со спутника. Было замечено, что один рой покрыл территорию океана площадью 450 квадратных километров (175 квадратных миль) на глубину до 200 метров (650 футов) и, по оценкам, содержал более 2 миллионов тонн криля. Недавние исследования показывают, что криль не просто пассивно дрейфует в этих течениях, но фактически изменяет их. Криль обычно совершает суточную вертикальную миграцию. Двигаясь вертикально через океан с 12-часовым циклом, стаи играют важную роль в смешивании более глубокой, богатой питательными веществами воды с бедной питательными веществами водой на поверхности. До недавнего времени считалось, что они проводят день на большей глубине и ночью поднимаются к поверхности. Было обнаружено, что чем глубже они заходят, тем больше они снижают свою активность, очевидно, чтобы уменьшить столкновения с хищниками и сберечь энергию.
Более поздние исследования показали, что плавание криля зависит от наполнения желудка. Сытые животные, кормившиеся на поверхности, менее активно плавают и поэтому опускаются ниже перемешанного слоя. По мере того как они тонут, они производят фекалии, что может означать, что они играют важную роль в углеродном цикле Антарктики. Было обнаружено, что криль с пустым желудком плавал более активно и, следовательно, направлялся к поверхности. Это означает, что вертикальная миграция может происходить два или три дня. Некоторые виды в течение дня образуют поверхностные стаи для кормления и размножения, хотя такое поведение опасно, поскольку делает их чрезвычайно уязвимыми для хищников. Плотные стаи могут вызвать неистовство кормления среди рыб, птиц и хищников-млекопитающих, особенно у поверхности. Когда их потревожили, рой разбегается, а некоторые особи даже мгновенно линяют, оставляя экзувий в качестве приманки. В 2012 году Гандоми и Алави представили успешный стохастический алгоритм для моделирования поведения стай криля. Алгоритм основан на трех основных факторах: «(i) движение, вызванное присутствием других особей, (ii) добыча пищи, и (iii) случайное распространение».
У этой веслоногой рачки антенна разложена (щелкните, чтобы увеличить). Антенна обнаруживает волну давления приближающейся рыбы. Смотрите также: Охота на веслоногих ракообразных. Веслоногие рачки - это группа крошечных ракообразных, обитающих в море и озерах. Многие виды являются планктонными (дрейфуют в морских водах), а другие - бентическими (обитают на дне океана). Копеподы обычно имеют длину от 1 до 2 миллиметров (от 0,04 до 0,08 дюйма), с каплевидным телом и большими усиками. Хотя, как и другие ракообразные, у них есть бронированный экзоскелет, они настолько малы, что у большинства видов эта тонкая броня и все тело почти полностью прозрачны. Веслоногие рачки имеют сложный срединный единственный глаз, обычно ярко-красный, в центре прозрачной головы.
Копеподы тоже роятся. Например, моноспецифические стаи регулярно наблюдались вокруг коралловых рифов и морской травы, а также в озерах. Плотность стаи составляла около миллиона копепод на кубический метр. Типичные стаи были в диаметре один или два метра, но некоторые превышали 30 кубических метров. Копеподам необходим визуальный контакт, чтобы держаться вместе, и они расходятся ночью.
Весна дает цветение роящегося фитопланктона, который дает пищу веслоногим моллюскам. Планктонные веслоногие рачки обычно являются доминирующими членами зоопланктона и, в свою очередь, являются основными пищевыми организмами для многих других морских животных. В частности, веслоногие рачки являются добычей рыб и медуз, которые могут собираться в огромные стаи численностью в миллионы человек. У некоторых рачков очень быстрая реакция на побег, когда хищник ощущается, и они могут прыгать с высокой скоростью на несколько миллиметров (см. Анимированное изображение ниже).
На фото: косяк сельдевых барана, питающийся стаей веслоногих ракообразных.
Анимация, показывающая, как синхронная охота на сельди может поймать очень настороженных и уклончивых рачков (щелкните для просмотра).
Стаи медуз также охотятся на веслоногих ракообразных.
Планктонные веслоногие рачки важны для углеродного цикла. Некоторые ученые говорят, что они образуют самую большую биомассу животных на Земле. За этот титул они соревнуются с антарктическим крилем. Однако из-за своего меньшего размера и относительно более высоких темпов роста, а также из-за того, что они более равномерно распределены по большей части мирового океана, веслоногие рачки почти наверняка вносят гораздо больший вклад во вторичную продуктивность Мирового океана и в глобальный сток углерода океана, чем криль и, возможно, больше, чем все другие группы организмов вместе взятые. В настоящее время считается, что поверхностные слои океанов являются крупнейшим поглотителем углерода в мире, поглощая около 2 миллиардов тонн углерода в год, что эквивалентно примерно трети выбросов углерода человеком, что снижает их воздействие. Многие планктонные веслоногие рачки питаются ночью у поверхности, а днем погружаются в более глубокие воды, чтобы избежать визуальных хищников. Их расплавленные экзоскелеты, фекальные гранулы и дыхание на глубине - все это приносит углерод в глубину моря.
Многие одноклеточные организмы, называемые фитопланктоном, живут в океанах и озерах. При наличии определенных условий, таких как высокий уровень питательных веществ или света, эти организмы быстро размножаются. Образовавшийся плотный рой фитопланктона называется цветением водорослей. Цветение может покрывать сотни квадратных километров, и его легко увидеть на спутниковых снимках. Фитопланктон редко живет дольше нескольких дней, но цветение может длиться несколько недель.
Ученые приписывают растениям поведение роя на протяжении сотен лет. В 1800 книге, Phytologia: или, философия сельского хозяйства и садоводства, Эразм Дарвин писал, что рост растений походили рои наблюдается в других местах в природе. Хотя он имел в виду более широкие наблюдения за морфологией растений и был сосредоточен на поведении как корней, так и побегов, недавние исследования подтвердили это утверждение.
Корни, в частности, демонстрируют наблюдаемое поведение роя, растущие по шаблонам, которые превышают статистический порог для случайной вероятности, и указывают на наличие связи между отдельными верхушками корня. Основная функция корней растений - поглощение питательных веществ почвы, и именно эта цель определяет поведение роя. Растения, растущие в непосредственной близости, адаптировались к своему росту, чтобы обеспечить оптимальную доступность питательных веществ. Это достигается за счет роста в направлении, которое оптимизирует расстояние между близлежащими корнями, тем самым увеличивая их шанс использовать неиспользованные запасы питательных веществ. Действие этого поведения принимает две формы: максимальное расстояние от соседних верхушек корня и отталкивание от них. Переходная зона кончика корня в значительной степени отвечает за мониторинг присутствия гормонов, переносимых почвой, сигнализируя о соответствующих моделях роста. Реакции растений часто бывают сложными, они объединяют несколько входов для информирования автономного ответа. Дополнительные входные данные, которые информируют о росте роя, включают свет и гравитацию, оба из которых также отслеживаются в переходной зоне верхушки корня. Эти силы действуют, информируя любое количество растущих «основных» корней, которые демонстрируют свои собственные независимые выбросы ингибирующих химикатов, чтобы установить подходящее расстояние, тем самым внося свой вклад в паттерн поведения роя. Горизонтальный рост корней, будь то в ответ на высокое содержание минералов в почве или из-за роста столонов, вызывает разветвленный рост, который также формирует свои собственные независимые корневые рои.
Рой также описывает группы некоторых видов хищных бактерий, таких как миксобактерии. Миксобактерии собираются в «волчьи стаи», активно перемещаясь, используя процесс, известный как бактериальное скольжение, и удерживаются вместе с помощью межклеточных молекулярных сигналов.
Овчарки (здесь бордер-колли ) контролируют стайное поведение овец. 
Летучие мыши вылезают из пещеры в Таиланде 
Полиция защищает Ник Алтрок от обожающих толпы во время бейсбола «S 1906 World Series | Внешние изображения | |
|---|---|
| Моделирование мексиканской волны | |
| Имитация ритмичных аплодисментов |
Группа людей также может демонстрировать поведение роя, например, пешеходы или солдаты роятся по парапетам. В Кельне, Германия, два биолога из Университета Лидса продемонстрировали поведение людей, напоминающее стадо. Группа людей демонстрировала аналогичный образец поведения со стаей: если пять процентов стаи изменили направление, остальные последовали бы за ней. Если одного человека называли хищником, а все остальные избегали его, стая вела себя очень похоже на косяк рыб. Понимание того, как люди взаимодействуют в толпе, важно, если управление толпой позволяет эффективно избегать жертв на футбольных площадках, музыкальных концертах и станциях метро.
Математическое моделирование поведения флокирования - распространенная технология, которая нашла применение в анимации. Моделирование флокирования использовалось во многих фильмах для создания реалистичных движущихся толп. « Бэтмен возвращается» Тима Бертона был первым фильмом, в котором для рендеринга использовалась технология роя, реалистично изображающая движения группы летучих мышей с использованием системы боидов. В кинотрилогии «Властелин колец» во время боевых сцен использовалась аналогичная технология, известная как Massive. Технология Swarm особенно привлекательна, потому что она дешевая, надежная и простая.
Компьютерное моделирование на основе муравьев, использующее только шесть правил взаимодействия, также использовалось для оценки поведения при посадке в самолет. Авиакомпании также использовали маршрутизацию на основе муравьев при назначении прибывающих самолетов к выходам из аэропорта. Система авиалиний, разработанная Дугласом А. Лоусоном, использует теорию роя или интеллект роя - идею о том, что колония муравьев работает лучше, чем одна. Каждый пилот ведет себя как муравей, ищущий лучшие ворота аэропорта. «Пилот на собственном опыте узнает, что лучше для него, и оказывается, что это лучшее решение для авиакомпании», - объясняет Лоусон. В результате «колония» пилотов всегда идет к воротам, они могут быстро приехать и улететь. Программа может даже предупредить пилота о дублировании самолетов до того, как они произойдут. «Мы можем ожидать, что это произойдет, поэтому у нас будут ворота», - говорит Лоусон.
Поведение роя проявляется также в динамике транспортного потока, например, в транспортной волне. На тропах муравьев можно наблюдать двунаправленное движение. В последние годы это поведение было исследовано для понимания моделей пешеходов и дорожного движения. Моделирование, основанное на моделях пешеходов, также применялось к толпам, которые разбегаются из-за паники.
Стадное поведение в маркетинге использовалось для объяснения зависимости взаимного поведения клиентов. The Economist сообщил о недавней конференции в Риме, посвященной моделированию адаптивного поведения человека. В нем использовались общие механизмы для увеличения импульсивных покупок и побуждения людей «покупать больше, играя на стадном инстинкте». Основная идея заключается в том, что люди будут покупать больше товаров, которые считаются популярными, и упоминаются несколько механизмов обратной связи для получения информации о популярности продукта для потребителей, включая технологию смарт-карт и использование технологии меток радиочастотной идентификации. Модель «движения роя» была предложена исследователем из Технологического института Флориды, которая привлекательна для супермаркетов, поскольку может «увеличить продажи без необходимости предоставлять людям скидки».
Kilobot тысяч робот-рой разработан Радхика Nagpal и Майкл Рубинштейн в Гарвардском университете. Применение принципов роя к роботам называется роевой робототехникой, тогда как интеллект роя относится к более общему набору алгоритмов.
| Внешнее видео | |
|---|---|
| Рой нано-квадрокоптеров - YouTube | |
| Марш микроскопических роботов Nature Video, YouTube |
Частично вдохновленные колонии насекомых, такие как муравьи и пчелы, исследователи моделируют поведение стах тысяч крошечных роботов, которые вместе выполняют полезную задачу, например, найти что - то скрытое, очистку, или шпионажа. Каждый робот довольно прост, но поведение роя в процессе возникновения более сложное. Весь набор роботов можно рассматривать как одну распределенную систему, точно так же, как колония муравьев может считаться суперорганизмом, проявляющим интеллект роя. На сегодняшний день самый большой рой из созданных - это рой из 1024 роботов-килоботов. Другие крупные рои включают рой iRobot, проект Centibots SRI International / ActivMedia Robotics и рой Micro-robotic Project с открытым исходным кодом, которые используются для исследования коллективного поведения. Рои также более устойчивы к неудачам. В то время как один большой робот может потерпеть неудачу и испортить миссию, рой может продолжаться, даже если несколько роботов потерпят неудачу. Это может сделать их привлекательными для миссий по исследованию космоса, отказ от которых обычно обходится очень дорого. Помимо наземных транспортных средств, робототехника роя включает в себя также исследование скоплений воздушных роботов и разнородных групп наземных и воздушных транспортных средств.
Контраст между партизанской засадой и настоящим роением (Эдвардс-2003) Основная статья: Роевой (военный) Военное роение - это поведение, при котором автономные или частично автономные боевые единицы атакуют врага с нескольких разных направлений, а затем перегруппировываются. Пульсирование, при котором юниты меняют точку атаки, также является частью военного роения. Военное роение включает использование децентрализованных сил против противника таким образом, чтобы упор делался на мобильность, коммуникацию, автономию подразделения и координацию или синхронизацию. Исторически военные силы использовали принципы роения, не изучая их явно, но теперь активные исследования сознательно исследуют военные доктрины, которые черпают идеи из роения.
Просто потому, что несколько юнитов сходятся к цели, они не обязательно роятся. Осадные операции не предполагают роения, потому что нет маневра; есть сближение, но на осажденном укреплении. Также партизанские засады не представляют собой стаи, потому что они "наезд и беги". Несмотря на то, что у засады может быть несколько точек атаки на противника, партизаны отходят, когда они либо нанесли адекватный урон, либо когда им угрожает опасность.
В 2014 году Управление военно-морских исследований США выпустило видеоролик, демонстрирующий испытания группы небольших автономных боевых катеров-дронов, которые могут управлять и принимать скоординированные наступательные действия в составе группы.
Стая перелетных сельдей
Рой пчел
Сальпы, расположенные цепями, образуют огромные рои.
Люди, роящиеся через выход, не всегда ведут себя как жидкость.
Рой божьих коровок
Рой роботов
Рой древних звезд
