原創(chuàng) Cristián Huepe 集智俱樂部

導(dǎo)語

羊群效應(yīng)指羊群在遇到食物或天敵時，只會沒頭沒腦地左沖右撞、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，羊群會通過隨機(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：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，后面的綿羊逐個跟隨，這種領(lǐng)導(dǎo)層級結(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領(lǐng)導(dǎo)帶來的效率，同時通過多次集體運(yùn)動結(jié)合不同個體的信息，為群體提供適應(yīng)性優(yōu)勢。本文翻譯自 Nature Physics 對該論文的評論文章。

關(guān)鍵詞：羊群效應(yīng)，集體行為，群體智慧

Cristián Huepe | 作者

郭瑞東 | 譯者

梁金 | 審校

鄧一雪 | 編輯

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

對物理學(xué)家而言，動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)計和動力系統(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 和同事們在 Nature Physics 雜志上報道的那樣，他們發(fā)現(xiàn)了引導(dǎo)小型羊群產(chǎn)生間歇性集體運(yùn)動的簡單互動規(guī)則 [1]。羊群沿著一條由隨機(jī)個體帶頭的路線吃草和移動，因此受益于等級領(lǐng)導(dǎo)帶來的效率，同時通過幾個集體運(yùn)動事件結(jié)合不同個體的信息。

1. 描述鳥群行為的Vicsek模型

大部分物理學(xué)家經(jīng)由 Vicsek 的模型 [2] 認(rèn)識到群體運(yùn)動，該模型最初是設(shè)計來描述大量無規(guī)則鳥群令人驚嘆的自組織現(xiàn)象，例如椋鳥集群。在這種鳥群的集體行為中，鳥兒一邊飛一邊持續(xù)改變它們的相對位置，顯然沒有領(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，所有鳥類的行為都是相同的，以同樣的速度行進(jìn)，和鄰鳥對齊，與鐵磁材料中的自旋很相似。這種描述類似于鐵磁系統(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)計系統(tǒng)可以在非零噪聲水平實(shí)現(xiàn)二維長程序，根據(jù) Mermin–Wagner 定理，這在XY 模型上是不可行的 [2]。其他模型后來表明，局部速度對齊導(dǎo)致在一個共同方向上形成去中心化的共識，在一個大型群體中只有少數(shù)個體意識到正確位置時，這可以提高集體到達(dá)一個有利位置的準(zhǔn)確性[3]。

Vicsek 模型和其他基于對齊的模型是一個非常好的起點(diǎn)，推動集體行為領(lǐng)域的發(fā)展。這些模型在描述各種魚群、鳥群和獸群方面已經(jīng)非常成功，同時將動物群體行為的動力學(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。

然而，這些模型也是自身成功的受害者，因?yàn)樗鼈儽挥脕砟M任何規(guī)模、任何物種的自驅(qū)動主體組成的系統(tǒng)，有時這樣的描述是合理的，但更多時候是錯誤的。這類模型和更傳統(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新問題時，只是使用在其他情況下開發(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。

2. 羊群的間歇性層級化集體運(yùn)動

他們的工作成功地指出了一類新的動物集體行為規(guī)則，可以通過多個運(yùn)動事件的累積效應(yīng)，為動物群體提供適應(yīng)性優(yōu)勢。

但動物集體行為的吸引力，恰恰是超越通常的物理動力學(xué)的可能性。個體之間的“社會力量”不一定是相互的或相加的，它們可以隨著時間的推移而改變，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。

一些早期研究通過建立基于一套范式的模型來探索這些問題，不過這套范式中不包括對齊。他們表明集體行為動力學(xué)可以通過逃避-追隨互動 [4]、韌性[5]甚至隨機(jī)方向漲落[6]來實(shí)現(xiàn)，通常受到動物群體或機(jī)器人集群的啟發(fā)。同時，實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明，許多動物群體缺乏一致對齊。例如，蝗蟲群體由同類相食驅(qū)動[7]，金體美洲鳊魚的旋轉(zhuǎn)力量僅僅依賴于鄰居的位置而非方向[8]。實(shí)驗(yàn)同時也表明，集體運(yùn)動甚至不存在普遍規(guī)律，即使在種群內(nèi)，例如，不同種類的魚已經(jīng)被證明遵循不同的運(yùn)動規(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齊的集體運(yùn)動模型范式。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)動的替代模型。從中涌現(xiàn)出的規(guī)則簡單到令人驚訝，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，包括食草期，和由隨機(jī)選擇的某只羊帶領(lǐng)的、向一個隨機(jī)方向長達(dá)40秒的運(yùn)動（圖1）。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也證實(shí)了羊群隊伍從前到后的層級制領(lǐng)導(dǎo)。

圖1. 綿羊集群在吃草間歇的一個集體運(yùn)動事件的示意圖。一只綿羊隨機(jī)扮演領(lǐng)導(dǎo)者的角色，開始向一個新的位置行進(jìn)。第一個跟隨者然后開始以速度 v(t) 運(yùn)動，在時間 t 時，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。每個后續(xù)的跟隨者重復(fù)相同的過程，只和它前面的羊互動。這個領(lǐng)導(dǎo)層級結(jié)構(gòu)在每次進(jìn)食后會重置。多次集體運(yùn)動的累積效應(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化集體運(yùn)動事件顯示的總體動力學(xué)所揭示的信息處理機(jī)制，類似于在平等的集體運(yùn)動共識中，所有主體同時遵循相同的規(guī)則。

3. 一類新的動物集體行為規(guī)則

正如所有對新系統(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力學(xué)的一個非常有效的方法——因?yàn)椴⒎撬谢締栴}都需要大型的統(tǒng)計系統(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，并展示類似的動力學(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新的動物集體行為規(guī)則，可以通過多個運(yùn)動事件的累積效應(yīng)，為動物群體提供適應(yīng)性優(yōu)勢。

雖然指責(zé)羊群心態(tài)是一種常見的侮辱，但事實(shí)證明，在實(shí)際的羊群中，任何個體都可以通過決定朝著一個新方向前進(jìn)來帶領(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，并探索不同類型的動物群體動力學(xué)。

參考文獻(xiàn)

1. Gómez-Nava, L., Bon, R. & Peruani, F. Nat. Phys. https://doi.org/10.1038/s41567-022-01769-8(2022).

2. Vicsek, T., Czirók, A., Ben-Jacob, E., Cohen, I. & Shochet, O. Phys. Rev. Lett. 75, 1226 (1995).

3. Couzin, I. D., Krause, J., Franks, N. R. & Levin, S. A. Nature 433, 513–516 (2005).

4. Romanczuk, P., Couzin, I. D. & Schimansky-Geier, L. Phys. Rev. Lett. 102, 010602 (2009).

5. Ferrante, E., Turgut, A. E., Dorigo, M. & Huepe, C. Phys. Rev. Lett. 111, 268302 (2013).

6. Romanczuk, P., B?r, M., Ebeling, W., Lindner, B. & Schimansky-Geier, L. Eur. Phys. J. Spec. Top. 202, 1–162 (2012).

7. Bazazi, S. et al. Curr. Biol. 18, 735–739 (2008).

8. Katz, Y., Tunstr?m, K., Ioannou, C. C., Huepe, C. & Couzin, I. D. Proc. Natl Acad. Sci. USA 108, 18720–18725 (2011).

9. Gautrais, J. PLoS Comput. Biol. 8, e1002678 (2012).

本文翻譯自 Nature Physics；

原文題目：Sheep lead the way；

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41567-022-01744-3

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原標(biāo)題：《Nature Physics：羊群通過層級領(lǐng)導(dǎo)行為實(shí)現(xiàn)群體智慧》

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