Research press release

物理学:群れの中で個々の鳥が速度を調節する仕組みのモデル化

Nature Communications

Physics: Modelling how birds regulate speed within a flock

ムクドリの大群のような群れの中で、個々の鳥が飛行速度を調節する仕組みをモデル化したことを報告する論文が、Nature Communications に掲載される。このモデルは、生物系の集団ダイナミクスに関する理解を深めるかもしれないだけでなく、スワームロボット装置の開発にとって重要な意味を持つ可能性がある。

大きな群れの中で個々の鳥の飛行速度が変化すると、鳥の間で長い距離にわたって相互に影響し合って、ムクドリの大群のような集団誇示になることが、実験的データによって明らかになっている。しかし、群れの中で鳥が飛行速度を調節する仕組みは、よく分かっていない。鳥類の集団ダイナミクスに関するこれまでの研究で、群れの中での速度制御を記述する複数の線形モデルが提案されたが、これらのモデルは、鳥が長い距離にわたって互いに影響し合う仕組みと、異なる群れの間での飛行速度の差に限界があるという生物学的データの観察結果を同時に説明できない。

今回、Antonio Cullaたちは、限界速度制御に基づいた数理モデルを構築した。このモデルは、飛行速度の個体差と群れのサイズの違いを考慮に入れ、10~3000羽の範囲内の規模の群れについて実験的に観察された特徴を再現した。Cullaたちは、自然のムクドリの群れの映像から抽出された個々のムクドリの軌跡を解析し、人工の群れの数値シミュレーションで観察された動態と比較した。その結果、このモデルが、群れ間の速度差に限界が存在する状態との大規模な相関を再現することが明らかになった。これは、観察された実験データに対応していた。

Cullaたちは、今回のモデルが、生物系の集団ダイナミクスと群れの中での調節機構を解明する上で役立つかもしれず、またこの知識を鳥の群れ以外にも適用できる可能性があると主張している。Cullaたちは、群れの中で個体の速度が調節される仕組みを解明できれば、ロボット工学の分野において、人工ユニットの一群で、相関を強化し、速度の大きな変動を減らすという実用的応用に道が開くかもしれないと考えている。

How a bird’s individual speed is regulated within a flock, such as during murmurations, is modelled in a study published in Nature Communications. The model could improve our understanding of collective dynamics in biological systems and may have implications for the development of swarming robotic devices.

Empirical data show that the changes of velocity of individual birds within large flocks influence each other over large distances, and leads to collective displays such as murmurations. However, how birds regulate their speed within a group is not well understood. Previous studies of collective bird dynamics have suggested linear models to describe internal speed control, but these do not simultaneously explain how birds can influence each other over long distances and also the limited group-to-group speed variability observed in biological data.

Antonio Culla and colleagues developed a mathematical model with marginal speed control that takes into account differences in individual bird’s speed and flock sizes, and reproduces experimental traits of flocks ranging between 10 and 3,000 in group size. The authors analyzed individual trajectories of starlings extracted from videos of natural flocks and compared the observed dynamics with numerical simulations of an artificial flock. The model was then able to reproduce large-scale correlations with limited speed variability from flock to flock, which corresponded to the observed experimental data.

The authors argue their model could aid our understanding of collective dynamics and internal mechanisms of regulation in biological systems, and potentially expand our knowledge beyond bird flocks. They suggest that understanding how individual speed is regulated within a group could have practical applications in the field of robotics to enhance correlation and reduce large speed fluctuations in swarms of artificial units.

doi: 10.1038/s41467-022-29883-4

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