Формирование косяков и стай не потребовало памяти

Французские и аргентинские физики показали, что коллективное движение объектов (например, косяков рыб, стай птиц, колоний бактерий) не обязательно требует от этих объектов памяти и способности оценивать скорость своих соседей. С помощью простой модели ученые выяснили, что объектам достаточно просто видеть и реагировать на моментальное присутствие других объектов. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, кратко о нем сообщает Physics.

Большинство современных моделей предполагает, что крупные, коллективно двигающиеся группы живых организмов требуют сонаправленности и соизмерения их скорости. Это означает, что объект, являющийся частью такой группы, должен обладать подобием памяти — помнить предыдущее положение своих соседей и оценивать, как они переместились.

Новая работа показывает, что даже при полном отсутствии памяти организмы все еще способны выстраиваться в коллективно движущиеся группы. Для этого им достаточно лишь сиюминутной информации о расположении других организмов. В модели, которую использовали ученые, каждый организм стремился к другим организмам, находящимся в его поле зрения. Слишком далекие или не попадающие в поле зрения объекты игнорировались.

В результате физики наблюдали самоорганизацию модельных организмов в упорядоченные группы. Их форма и принцип движения зависели от размеров поля зрения и специального параметра, определяющего шум в данных. К примеру, при очень узком поле зрения частицы выстраивались в «очередь» линию, в которой первая частица двигалась хаотически, не замечая остальных, а другие следовали за ней. При более широком поле зрения (значительно больше 180 градусов, как у рыб с учетом гидродинамических сигналов) возникали кольца и плотные группы. При промежуточной величине поля зрения авторы наблюдали нематическую организацию, названную так по одному из типов жидких кристаллов. Частицы в ней выстраивались в жгуты и двигались в одном направлении. 

По словам физиков, типы упорядочений, возникающих в модели без памяти, отличаются от результатов традиционных моделей, основанных на выравнивании скоростей. Нематические структуры, описанные авторами, встречаются в реальных системах — в толпах людей и муравьев, а «очереди» — в стадах овец.

Ученые полагают, что модель может найти применение в робототехнике. Образование «роев» роботов (например, дронов), основанное на моментальном определении положения соседних объектов, потребует меньших вычислительных мощностей. Кроме того, такой простой тип взаимодействия можно реализовать в коллоидных системах — растворах наночастиц.

Ранее биофизики из Университета Рокфеллера показали, как устроено упорядочение бактерий в «живые кристаллы» — оказывается, ключевым фактором для этого является их вращение вокруг своей оси. Другой международный коллектив ученых показал, что управлять коллективным движением можно с помощью неупорядоченных внешних воздействий. 

Владимир Королёв