La visión por computadora revela el notable secreto del flocado

Observe una bandada de estorninos durante unos minutos y es fácil ver su notable comportamiento. Las aves parecen moverse en sincronía a pesar de que pueden estar separadas por el ancho de la bandada. De alguna manera, el movimiento de las aves en lados opuestos de la bandada debe estar correlacionado aunque solo puedan comunicarse razonablemente con sus vecinos más cercanos.

Cómo sucede esto ha sido objeto de mucha fascinación. Una forma de abordar este problema es simular el comportamiento de las manadas en una computadora, comparar la simulación con el comportamiento de las manadas real e intentar explicarlo.

Esto ciertamente ha producido algunas ideas interesantes, pero adolece de una grave falta de medidas detalladas del comportamiento real de las aves en bandadas a gran escala. Eso ha cambiado recientemente con la llegada de técnicas avanzadas de visión por computadora que pueden medir la posición y la velocidad de una gran cantidad de objetos en movimiento en un solo cuadro.

Hoy, William Bialek de la Universidad de Princeton y algunos amigos utilizan estos datos recién descubiertos para construir el modelo teórico más simple que puede reproducir el comportamiento real de bandadas reales.

Su modelo produce una percepción notable. Dicen que las bandadas de estorninos operan en un estado físico muy especial que permite que las correlaciones entre aves individuales se extiendan más o menos infinitamente, en este caso en todo el ancho de la bandada.

Bialek y compañía comienzan analizando la posición y velocidad de entre 122 y 4268 estorninos en 21 eventos de bandadas distintos. Usan estos datos para calcular las correlaciones entre el movimiento de aves individuales en la bandada y la variación de sus velocidades en relación con el promedio.

Estas mediciones muestran que el comportamiento de las aves está extraordinariamente afinado. Las aves individuales vuelan a velocidades muy similares a las de sus vecinos. En otras palabras, coinciden tanto con la velocidad como con la dirección de los pájaros que vuelan cerca.

Ésto plantea una pregunta interesante. El comportamiento de cada ave está correlacionado con sus vecinos más cercanos, pero en condiciones normales, esta correlación debería decaer en alguna escala de distancia característica, generalmente no mucho más allá de la distancia entre las aves mismas.

Entonces, según esta forma de pensar, solo las aves vecinas pueden sincronizarse creando pequeños grupos independientes.

Entonces, ¿cómo puede sincronizarse todo el rebaño? Aquí es donde un poco de física resulta útil. Los físicos conocen desde hace mucho tiempo los cambios de fase en sistemas en los que un pequeño cambio en un parámetro puede provocar un gran cambio en las propiedades generales del sistema.

Un ejemplo famoso es un imán en el que un pequeño cambio de temperatura hace que los giros de un imán se alineen repentinamente. Por debajo de esta temperatura, el comportamiento a granel es como un imán, por debajo de esta temperatura el material no es un imán.

Sin embargo, el punto importante es que cuando ocurre este cambio, los giros que están separados por grandes distancias se correlacionan. De hecho, la escala de correlación se vuelve infinitamente grande.

El punto en el que esto ocurre en un sistema se conoce como punto crítico. Lo que parece claro acerca de la bandada es que también puede ocurrir solo en un punto crítico donde la escala de correlación se extiende a toda la bandada. Cuando esto sucede, todos los pequeños grupos de aves vecinas se comportan como uno solo, que es lo que crea el característico comportamiento de bandada.

Este comportamiento crítico se cae naturalmente del modelo que Bialek y compañía han creado y que describen con gran claridad como un sistema de resortes que conecta a cada ave con sus vecinos más cercanos y que se puede sintonizar de una manera que cambia la influencia que tienen. el uno del otro.

A primera vista, parece notable que el comportamiento complejo de un número tan grande de organismos individuales pueda estar tan finamente equilibrado para operar en un punto crítico.

Biológicamente, las aves pueden variar sus velocidades por razones individuales o para seguir a sus vecinos, en paralelo con las fuerzas en competencia capturadas en el modelo. En este lenguaje, el punto crítico es el lugar donde las fuerzas sociales abruman las preferencias individuales, dicen Bialek y compañía.

Pero eso implica que hay algo especial en el comportamiento social de las aves que conduce a este punto crítico. No está claro cómo las aves manejan las interacciones sociales, pero ciertamente brindan una gran ventaja. Cuando una bandada opera lejos del punto crítico, un ave en las afueras de la bandada solo puede influir en sus vecinos más cercanos cuando se acerca un depredador.

Pero todo eso cambia cuando la bandada opera en el punto crítico. En ese caso, un individuo que detecta a un depredador puede influir en el comportamiento de toda la bandada. De hecho, existe mucha evidencia de que las bandadas son notablemente inmunes a los ataques de los depredadores. Sabemos que los ataques de depredadores a una bandada tienen tasas de éxito muy bajas, dicen Bialek y compañía.

Esa es una visión fascinante de la compleja física detrás de un fenómeno biológico notable y hermoso. También puede proporcionar información sobre cómo los sistemas artificiales pueden aprovechar la criticidad. No es difícil imaginar cómo este comportamiento podría ser útil para controlar enjambres de robots o incluso para enrutar información a través de redes.

Ref: arxiv.org/abs/1307.5563 : Las interacciones sociales dominan el control de la velocidad al conducir a las bandadas naturales hacia la criticidad

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