ماذا يحدث عندما يكون قائد قطيع من الحيوانات روبوتًا؟

ربما لا يوجد شيء خاص.
هل هناك قائد في مجموعة من الحيوانات يتحرك بتنسيق مثالي، وهل يمكن تعليم الروبوت تقليد سلوكه وقيادة المجموعة؟

إسرائيل بنيامين جاليليو

تعد أسراب الأسماك أو الطيور من أروع المشاهد في الطبيعة: مئات أو آلاف أو حتى ملايين من الأفراد يتحركون معًا، ويخلقون أشكالًا ديناميكية ثلاثية الأبعاد، ويغيرون اتجاههم فجأة وبالتنسيق، ويظهرون أحيانًا كمخلوق عملاق واحد - إنه أمر سهل للعثور على مقاطع فيديو رائعة عبر الإنترنت توضح ذلك (حاول البحث عن "سرب الطيور" أو "أسراب الأسماك").

عندما يلاحظ العالم مثل هذه الظاهرة، قد يفكر ليس فقط "كم هي جميلة!" ولكن أيضًا لطرح أسئلة مثل:
"كيف يحدث ذلك؟"
"كيف يمكن تقليد مثل هذه الظاهرة؟"
"كيف يمكنك استخدام سلوك العصابات لتحقيق الهدف المنشود؟"

الفرق والقرارات الجماعية
هل هناك قائد أو زعماء يقودون المجموعة؟ إذا لم يكن الأمر كذلك، فكيف يحدث أن يتحرك النطاق بطريقة منسقة؟ إذا كان هناك قادة، فكيف يتم تمرير القرارات من القائد إلى جميع الأفراد في المجموعة، الذين لا يستطيع الكثير منهم رؤية القائد؟ بالطبع تختلف الإجابات باختلاف الأنواع، ولكن تبين أن هناك الكثير من القواسم المشتركة بينها جميعًا وحتى بالنسبة للإنسان، كما سنرى لاحقًا.

في الثمانينيات، بدأ نموذج رياضي في التبلور يصف الحركة المنسقة للسرب دون الحاجة إلى قادة، على الرغم من أنه سيتبين لاحقًا أنه في العديد من الأنواع يكون للقائد أيضًا تأثير. يفترض النموذج أن كل فرد يطيع ثلاثة قوانين:

1. تجنب الاصطدام بالتفاصيل القريبة.
2. تحرك في الاتجاه المتوسط ​​لحركة جيرانك في القطيع.
3. ابقَ قريبًا من جيرانك في القطيع (طالما أنهم خارج نطاق القانون الأول).

القانون الأول يعمل على المسافات القصيرة، مما يجعل الفرد يبتعد عن الأفراد الآخرين إذا كانوا قريبين منه جداً. يعمل القانونان الثاني والثالث على نطاقات أطول، ولكن على مسافات أصغر بكثير من حجم القطيع بأكمله: على أي حال، لا يحتاج الفرد إلى أن يكون على دراية بالقطيع بأكمله، ولكن فقط بالأفراد "المجاورين" الذين يتواجدون معه. تحيط به.

ونلاحظ هنا أن هذه القوانين، رغم نجاحها في مطابقة العديد من الملاحظات الميدانية، إلا أنها بالتأكيد لا تغطي النطاق الكامل لسلوك القطيع أو القطيع. وكما نعلم فإن الجماعة قد تتحرك في اتجاه أو طريق معين، وغالباً ما يكون هناك قادة يؤثرون على اتجاه الحركة وبنية المجموعة. وكما سنرى لاحقًا، تتناسب هذه الحقائق أيضًا بشكل جيد مع النموذج.

أين الأسماك
وفي هذا النموذج، على الرغم من الكثير من التجريد، هناك منطق بيولوجي، وقد أظهرت القياسات بالفعل أنه يتنبأ جيدًا بسلوك القطعان. على سبيل المثال، في أكتوبر 2007، تم نشر تحليل حاسوبي لحركة أسراب طيور الزرزور، المعروفة بعروضها البهلوانية المثيرة للإعجاب، (انظر الرابط في نهاية العمود). وتعد دراسة هذه الحركة مشكلة معقدة تتطلب تصويرًا مجسمًا سريعًا لإعادة إنتاج حركة كل طائر في فضاء ثلاثي الأبعاد، ومجموعة من التقنيات من مجالات الفيزياء الإحصائية والرؤية الحاسوبية والتحسين. وقد وجد أن النموذج مناسب عند تعريف كل زرزور "جيرانه" على أنهم 7-6 طيور الأقرب إليه، بغض النظر عن بعدهم (افترضت النماذج السابقة أن الجيران هم جميع الأفراد داخل نصف قطر ثابت حول الطائر).

علاوة على ذلك، تم اكتشاف تفضيل للإشارة إلى الجيران الموجودين على يمين الطائر أو يساره (أي ليس أمامه مباشرة)، وهي حقيقة ليست مفاجئة بالنظر إلى موقع عيون الزرزور على جانبي الطائر. الرأس. إن استقلالية تحديد الجيران حسب المسافة يفسر قدرة أسراب الطيور على لم شملها بعد انفصالها (كما يحدث عندما يهاجمها حيوان مفترس).

أدرجت إحدى الدراسات الجديدة في هذا المجال قانونًا آخر، يمثل تفضيلات درجة الحرارة، وتمكنت من تفسير نمط وطرق هجرة أسماك الكبلين (سمكة صغيرة تشبه السلمون) حول أيسلندا. يهاجر هذا النوع مئات الكيلومترات بين مناطق التكاثر والرعي، وله دور مهم في النظام البيئي البحري وكذلك في صناعة صيد الأسماك. في السنوات الأخيرة، انخفض عدد هذه الأسماك في جميع أنحاء أيسلندا، وبالتالي فإن القدرة على التنبؤ بموقع المدارس أمر مهم للتحكم السليم في مصايد الأسماك.

وبعد اختبار النموذج مقابل بيانات من الأعوام السابقة، والتي كان لكل منها طريق هجرة مختلف، استخدمه الباحثون "للتنبؤ" بنجاح بمسار الهجرة في موسم 2008-2007. كان التنبؤ بأثر رجعي: كانت النتائج معروفة بالفعل للباحثين، ولكن ليس للبرنامج. في الموسم المعني، كان هذا الطريق مختلفًا تمامًا عن الطريق النموذجي، لدرجة أنه يبدو كما لو أن السكان "اختفوا". ولهذا السبب، توقف الصيد في يناير/كانون الثاني 2008، ولم يتم استئنافه إلا بعد شهرين، عندما تم العثور على المياه الضحلة مرة أخرى. ولو تم تطبيق النموذج في ذلك الوقت لكان قد خفف إلى حد ما اقتصاد أيسلندا (التي، كما تعلمون، مرت بأزمة حادة خلال هذه الفترة).

محاكاة الكمبيوتر للعصابات
تُستخدم مثل هذه النماذج، التي تستمد إلهامها من الكائنات الحية، أيضًا في مجال يسمى "الحياة الاصطناعية"، من بين أمور أخرى في عملية إنشاء مقاطع فيديو ورسوم متحركة تصف حركة قطيع أو سرب أو قطيع. عندما يتم دمج القواعد البسيطة الموضحة هنا في مثل هذه البرامج، فإن النتيجة التي تظهر على الشاشة هي مجموعة من السلوكيات المعقدة التي تبدو واقعية وقابلة للتصديق. تم استخدام هذه التقنية، من بين أمور أخرى، من قبل رسامي الرسوم المتحركة في ديزني في مقطع رحلة قطيع الحيوانات البرية المذعورة في فيلم "الأسد الملك".

يعد ظهور السلوك المعقد من قوانين بسيطة أحد أكثر المجالات إثارة للاهتمام وإثارة للدهشة في دراسة الأنظمة التي تتكون من عدد كبير من الأفراد المستقلين. إن فهم هذه الظاهرة أمر مطلوب لفهم السلوكيات الجماعية في مجموعة واسعة جدًا من المجالات - بدءًا من سلوك المنتجين والمستهلكين والمستثمرين في الاقتصاد، وحتى ديناميكيات الجهاز المناعي.

كما أن فهم هذه الظاهرة يمكن أن يساعد في إنشاء جيل جديد من الروبوتات البسيطة والرخيصة التي تتعاون مع بعضها البعض لتنفيذ مهامها. في مثل هذه الاستخدامات، من المستحيل تزويد كل روبوت بوسائل استشعار كافية وقدرة حسابية "لرؤية الصورة الكبيرة"، ومن غير المرغوب فيه إخضاع جميع الروبوتات لحساب مركزي يتحكم في كل واحد منهم. وحتى لو كان من الممكن بناء مثل هذا النظام، فإنه سيفشل بمجرد تعطل الكمبيوتر المركزي أو فقدان الاتصال به. لذلك، يتم أحيانًا تصميم أنظمة الروبوتات المتعددة وفقًا لمبادئ مأخوذة من قطعان الحيوانات، مثل الطريقة التي يقوم بها سرب من النمل بدوريات في منطقة واسعة، وتحديد مصادر الغذاء، وإحضار الطعام إلى العش.

باستخدام تأثير القطيع
يعرف الرعاة كيفية التحكم في قطيع كبير وتحريك الأغنام كما يحلو لهم من خلال فهم سلوك القطيع. ومن أساليب ذلك استخدام عدد قليل من الكلاب، مدربة على التصرف بحيث أن استجابة القطيع الغريزية للتهديد من الحيوانات المفترسة ستقود المجموعة بأكملها، والتي قد تشمل مئات الأغنام، في الاتجاه الذي يريده الراعي. . يبدو أيضًا أن الدلافين تعرف قوانين حركة أسراب الأسماك: فقد لوحظ أن مجموعات من الدلافين تستخدم فقاعات الهواء وإصدار الصوت لتجعل الأسماك تتجمع في كرة تدور حول نفسها. وبمجرد تحقيق هذا الهدف، يقوم كل دولفين بدوره بالغطس في الكرة لإشباع جوعه.

يظهر سلوك الرعي الذي يمكن التلاعب به عند البشر أيضًا: نشر باحثون في جامعة ليدز (ليدز) في إنجلترا مقالًا في عام 2008 في مجلة سلوك الحيوان، يصفون فيه تجربة طُلب فيها من المشاركين من البشر أن يسيروا بشكل عشوائي في مكان ما. قاعة كبيرة، حيث كان عليهم الحفاظ على القرب من الآخرين ولكن تم منعهم من التواصل مع بعضهم البعض. عشرة فقط من بين مائتي مشارك تلقوا تعليمات حول طريق حركتهم، لكن هذا كان كافياً لجعل الآخرين يتشكلون في مجموعات تتحرك وفقاً لذلك، دون أن يدركوا أن هناك من يقودهم (انظر الرابط). ومن الواضح أن ظروف التجربة مصطنعة ومختلفة عن التصرفات الواقعية للأفراد في حشد من الناس، لكن مع ذلك يتوقع الباحثون أن تقدم النتائج رؤى حول تخطيط طرق المرور في المناطق العامة لغرض منع الاكتظاظ وتحقيق الإخلاء السريع في أوقات الطوارئ.

نفس فكرة قيادة الفرقة من قبل قائد "المصنع" تم تحقيقها مؤخرًا من قبل الدكتور ماوريتسيو بورفيري من معهد البوليتكنيك بجامعة نيويورك (NYU-Poly). على الرغم من أن العديد من أنواع الأسماك لا تحتاج إلى قائد لقيادة مدرسة، فمن المعروف أيضًا أن الأسماك الموجودة في المدرسة تميل إلى التأثر بشكل أكبر بالأسماك الموجودة في بيئتها إذا كانت تلك الأسماك أكبر أو أكثر نشاطًا من غيرها. وبمساعدة التخصص الرئيسي للدكتور بورفيري، في مجالات الهندسة الميكانيكية و"المواد الذكية"، قام بتطوير روبوت بحجم كف اليد ويسبح بهدوء - وهي ميزة أساسية لأن الآليات المزعجة تدفع الأسماك بعيدًا. تتكون "عضلات" الروبوت من بوليمرات أيونية تنقبض وتتحرر استجابة للنبضات الكهربائية، وبالتالي تخلق حركة ذات خصائص مشابهة لسباحة سمكة حقيقية.

لا يمكن التحكم في الإصدار الحالي من الروبوت إلا على متن طائرة: فلا يمكنه الصعود إلى سطح الماء أو النزول إلى القاع. ولذلك يتم إجراء التجارب في خزان المياه الضحلة. وفي مقطع فيديو يوثق التجربة، يمكنك رؤية كيف تنضم إليه الأسماك التي يبلغ طولها نصف طول الروبوت تقريبًا وتتابع تحركاته. ومؤخرا، نشر باحثون من جامعة ليدز (ليدز) في إنجلترا أيضا دراسة مماثلة، مع سمكة شكلها أكثر إخلاصا للواقع لكن حركتها أقل إقناعا، وحتى هناك كان "الزعيم" قادرا على قيادة القطيع.

يمكن للمرء أن يتخيل الصيادين يرسلون الروبوتات لقيادة أسراب الأسماك مباشرة إلى شباكهم، لكن الدكتور بورفيري لديه أفكار أخرى: فهو يقترح استخدام مثل هذه الأساليب لإبعاد الأسماك عن مناطق الخطر، مثل المياه القريبة من محطات الطاقة النووية، ولقيادة الهجرة. الطيور إلى مناطق تعشيش جديدة عندما يتم تدمير مناطق تعشيشها المألوفة، بل إنها تقود الناس إلى مخرج آمن عند اندلاع حريق.

في هذه الأيام، يعرب العلماء عن قلقهم بشأن مصير أسماك التونة ذات الزعانف الزرقاء في الغرب. هذه المجموعة، التي عانت بالفعل من انخفاض بنحو 80% مقارنة بحجمها في الستينيات بسبب زيادة الصيد، تتكاثر في خليج المكسيك بين الربيع والصيف، لذلك قد يتضرر البيض وصغار الأسماك بشدة بسبب التسرب النفطي. في خليج المكسيك والتي بدأت في نهاية أبريل من هذا العام. يخلق تطور الدكتور بورفيري الأمل في أنه يمكننا في المستقبل التعامل بشكل أفضل مع العواقب البيئية لمثل هذه المخاطر البيئية عن طريق إرسال عدد صغير من الروبوتات لقيادة أعداد كبيرة من السكان إلى بر الأمان.

يعمل الكاتب في ClickSoftware لتطوير أساليب التحسين المتقدمة.