羊群效應(yīng)指羊群在遇到食物或天敵時(shí)，只會(huì)沒(méi)頭沒(méi)腦地左沖右撞、盲目從眾。但羊群真的如此愚蠢嗎？近日發(fā)表于 Nature Physics 上的最新研究表明，羊群會(huì)通過(guò)隨機(jī)交替的領(lǐng)導(dǎo)行為實(shí)現(xiàn)群體智慧。研究者直接從小型羊群的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提取羊之間的相互作用規(guī)則，發(fā)現(xiàn)羊群表現(xiàn)出間歇性的集體運(yùn)動(dòng)：每次食草結(jié)束，由一只綿羊隨機(jī)扮演領(lǐng)導(dǎo)者的角色，后面的綿羊逐個(gè)跟隨，這種領(lǐng)導(dǎo)層級(jí)結(jié)構(gòu)在每次進(jìn)食后重置。這種機(jī)制使得羊群不僅受益于等級(jí)領(lǐng)導(dǎo)帶來(lái)的效率，同時(shí)通過(guò)多次集體運(yùn)動(dòng)結(jié)合不同個(gè)體的信息，為群體提供適應(yīng)性優(yōu)勢(shì)。本文翻譯自 Nature Physics 對(duì)該論文的評(píng)論文章。
關(guān)鍵詞：羊群效應(yīng)，集體行為，群體智慧
論文標(biāo)題：
Intermittent collective motion in sheep results from alternating the role of leader and follower
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41567-022-01769-8
對(duì)物理學(xué)家而言，動(dòng)物的集體行為很有吸引力，因?yàn)閺纳锸澜缰锌赡苡楷F(xiàn)出新的統(tǒng)計(jì)和動(dòng)力系統(tǒng)，而在生物世界，相互作用不受物理力的約束。雖然生物集體行為大部分缺乏守恒量和最優(yōu)化原則，但通常被認(rèn)為可以幫助提高群體適應(yīng)能力，這往往是由于個(gè)體之間某種形式的信息共享有助于改善集體決策。
正如 Luis Gómez-Nava 和同事們?cè)?Nature Physics 雜志上報(bào)道的那樣，他們發(fā)現(xiàn)了引導(dǎo)小型羊群產(chǎn)生間歇性集體運(yùn)動(dòng)的簡(jiǎn)單互動(dòng)規(guī)則 [1]。羊群沿著一條由隨機(jī)個(gè)體帶頭的路線吃草和移動(dòng)，因此受益于等級(jí)領(lǐng)導(dǎo)帶來(lái)的效率，同時(shí)通過(guò)幾個(gè)集體運(yùn)動(dòng)事件結(jié)合不同個(gè)體的信息。
大部分物理學(xué)家經(jīng)由 Vicsek 的模型 [2] 認(rèn)識(shí)到群體運(yùn)動(dòng)，該模型最初是設(shè)計(jì)來(lái)描述大量無(wú)規(guī)則鳥(niǎo)群令人驚嘆的自組織現(xiàn)象，例如椋鳥(niǎo)集群。在這種鳥(niǎo)群的集體行為中，鳥(niǎo)兒一邊飛一邊持續(xù)改變它們的相對(duì)位置，顯然沒(méi)有領(lǐng)導(dǎo)者，以一種似乎有助于在群體中傳播信息的方法，允許快速的集體反應(yīng)。
在 Vicsek 模型中，所有鳥(niǎo)類(lèi)的行為都是相同的，以同樣的速度行進(jìn)，和鄰鳥(niǎo)對(duì)齊，與鐵磁材料中的自旋很相似。這種描述類(lèi)似于鐵磁系統(tǒng)的 XY 模型，其中自旋沿著指向的方向行進(jìn)，而不是在晶格中保持固定。
由此產(chǎn)生的統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)可以在非零噪聲水平實(shí)現(xiàn)二維長(zhǎng)程序，根據(jù) Mermin–Wagner 定理，這在XY 模型上是不可行的 [2]。其他模型后來(lái)表明，局部速度對(duì)齊導(dǎo)致在一個(gè)共同方向上形成去中心化的共識(shí)，在一個(gè)大型群體中只有少數(shù)個(gè)體意識(shí)到正確位置時(shí)，這可以提高集體到達(dá)一個(gè)有利位置的準(zhǔn)確性[3]。
Vicsek 模型和其他基于對(duì)齊的模型是一個(gè)非常好的起點(diǎn)，推動(dòng)集體行為領(lǐng)域的發(fā)展。這些模型在描述各種魚(yú)群、鳥(niǎo)群和獸群方面已經(jīng)非常成功，同時(shí)將動(dòng)物群體行為的動(dòng)力學(xué)與有趣的物理現(xiàn)象（例如大數(shù)漲落、非各向同性波的傳播、反常擴(kuò)散）聯(lián)系起來(lái)。
然而，這些模型也是自身成功的受害者，因?yàn)樗鼈儽挥脕?lái)模擬任何規(guī)模、任何物種的自驅(qū)動(dòng)主體組成的系統(tǒng)，有時(shí)這樣的描述是合理的，但更多時(shí)候是錯(cuò)誤的。這類(lèi)模型和更傳統(tǒng)的物理系統(tǒng)之間的直接聯(lián)系，促使研究者在每遇到一個(gè)新問(wèn)題時(shí)，只是使用在其他情況下開(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)方法的略微擴(kuò)展，這就像是手里拿著錘子，看什么都是釘子。
他們的工作成功地指出了一類(lèi)新的動(dòng)物集體行為規(guī)則，可以通過(guò)多個(gè)運(yùn)動(dòng)事件的累積效應(yīng)，為動(dòng)物群體提供適應(yīng)性優(yōu)勢(shì)。
但動(dòng)物集體行為的吸引力，恰恰是超越通常的物理動(dòng)力學(xué)的可能性。個(gè)體之間的“社會(huì)力量”不一定是相互的或相加的，它們可以隨著時(shí)間的推移而改變，可以依賴于群體數(shù)量、軌跡、預(yù)期、加速度等因素。了解這些集體系統(tǒng)的涌現(xiàn)行為，不僅是令物理學(xué)家著迷的挑戰(zhàn)，也有助于闡明集體行為的起源，并控制相關(guān)的生物和機(jī)器人集群。
一些早期研究通過(guò)建立基于一套范式的模型來(lái)探索這些問(wèn)題，不過(guò)這套范式中不包括對(duì)齊。他們表明集體行為動(dòng)力學(xué)可以通過(guò)逃避-追隨互動(dòng) [4]、韌性[5]甚至隨機(jī)方向漲落[6]來(lái)實(shí)現(xiàn)，通常受到動(dòng)物群體或機(jī)器人集群的啟發(fā)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明，許多動(dòng)物群體缺乏一致對(duì)齊。例如，蝗蟲(chóng)群體由同類(lèi)相食驅(qū)動(dòng)[7]，金體美洲鳊魚(yú)的旋轉(zhuǎn)力量?jī)H僅依賴于鄰居的位置而非方向[8]。實(shí)驗(yàn)同時(shí)也表明，集體運(yùn)動(dòng)甚至不存在普遍規(guī)律，即使在種群內(nèi)，例如，不同種類(lèi)的魚(yú)已經(jīng)被證明遵循不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)則[9]。
Gómez-Nava 及其同事的工作同樣是在努力探索超越基于對(duì)齊的集體運(yùn)動(dòng)模型范式。該模型直接從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提取羊之間的相互作用規(guī)則，并探索經(jīng)典集體運(yùn)動(dòng)的替代模型。從中涌現(xiàn)出的規(guī)則簡(jiǎn)單到令人驚訝，但與現(xiàn)有的大多數(shù)模型有很大不同。羊群表現(xiàn)出間歇性的集體運(yùn)動(dòng)，包括食草期，和由隨機(jī)選擇的某只羊帶領(lǐng)的、向一個(gè)隨機(jī)方向長(zhǎng)達(dá)40秒的運(yùn)動(dòng)（圖1）。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也證實(shí)了羊群隊(duì)伍從前到后的層級(jí)制領(lǐng)導(dǎo)。
圖1. 綿羊集群在吃草間歇的一個(gè)集體運(yùn)動(dòng)事件的示意圖。
一只綿羊隨機(jī)扮演領(lǐng)導(dǎo)者的角色，開(kāi)始向一個(gè)新的位置行進(jìn)。第一個(gè)跟隨者然后開(kāi)始以速度 v(t) 運(yùn)動(dòng)，在時(shí)間 t 時(shí)，調(diào)整它的方向角 θi 以跟隨領(lǐng)先者的行進(jìn)路線，向 ê(θi) 方向移動(dòng)。每個(gè)后續(xù)的跟隨者重復(fù)相同的過(guò)程，只和它前面的羊互動(dòng)。這個(gè)領(lǐng)導(dǎo)層級(jí)結(jié)構(gòu)在每次進(jìn)食后會(huì)重置。多次集體運(yùn)動(dòng)的累積效應(yīng)導(dǎo)致交替的領(lǐng)導(dǎo)者之間的信息共享。
有趣的是，這一系列間歇性層級(jí)化集體運(yùn)動(dòng)事件顯示的總體動(dòng)力學(xué)所揭示的信息處理機(jī)制，類(lèi)似于在平等的集體運(yùn)動(dòng)共識(shí)中，所有主體同時(shí)遵循相同的規(guī)則。
正如所有對(duì)新系統(tǒng)的初步分析一樣，Gómez-Nava 的工作也有其局限。他們的模型只是對(duì)由少數(shù)羊組成的群體進(jìn)行了深入細(xì)節(jié)的研究，這是研究羊群的非線性動(dòng)力學(xué)的一個(gè)非常有效的方法——因?yàn)椴⒎撬谢締?wèn)題都需要大型的統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)——但由此得出的結(jié)論不能直接推廣到更大的群體上。只有用更多的羊做實(shí)驗(yàn)，才能確定更大的羊群是否遵循同樣的規(guī)則，并展示類(lèi)似的動(dòng)力學(xué)和信息共享機(jī)制。
盡管有這些限制，他們的工作成功地指出了一類(lèi)新的動(dòng)物集體行為規(guī)則，可以通過(guò)多個(gè)運(yùn)動(dòng)事件的累積效應(yīng)，為動(dòng)物群體提供適應(yīng)性優(yōu)勢(shì)。
雖然指責(zé)羊群心態(tài)是一種常見(jiàn)的侮辱，但事實(shí)證明，在實(shí)際的羊群中，任何個(gè)體都可以通過(guò)決定朝著一個(gè)新方向前進(jìn)來(lái)帶領(lǐng)群體，這種隨機(jī)交替的領(lǐng)導(dǎo)行為可以實(shí)現(xiàn)群體智慧。這幾乎就像是綿羊在召喚我們遠(yuǎn)離經(jīng)典的方法，并探索不同類(lèi)型的動(dòng)物群體動(dòng)力學(xué)。
Cristián Huepe | 作者
郭瑞東 | 譯者
梁金 | 審校
鄧一雪 | 編輯
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