Гактон: Як Риби Плавають Разом Без Лідера

Немає керівника серед риб

Шарівча хода школи риб, що обертаються у плавно координованій хвилі, виглядає як choreographed номер, але немає керівної риби, яка б керувала групою, і немає центрального плану. Кожна риба реагує лише на сусідніх з нею риб, використовуючи невеликий набір простих локальних правил — і вражаюча поведінка на рівні групи виникає завдяки тисячам таких незалежних рішень, що відбуваються одночасно. Цей тип самоорганізації руху групи називається зграйністю, а класична обчислювальна модель для неї була створена комп’ютерним ученим Крейгом Рейлзом у 1986 році.

Рейлз запропонував лише три правила, які застосовувалися лише до сусідніх риб в межах певної візуальної досяжності:

роз'єднання — повертатися від сусідів, що занадто близько (уникати переповнення) вирівнювання — повертатися до середнього напрямку сусідніх риб зв’язність — повертатися до середньої позиції сусідніх риб Збалансуйте ці три сили — зазвичай, з роз'єднанням, яке трохи важче, щоб риби не зіткнулися — і оновлюйте швидкість кожної риби на невелику величину що кадр, лише на основі її локального оточення та всієї групи, і група починає повертатися, розбігається навколо перешкод і реформується, хвилями коливається, все без того, щоб риба знала форму всієї школи.

separation   steer away from neighbours that are too close (avoid crowding)
alignment    steer toward the average heading of nearby neighbours
cohesion     steer toward the average position of nearby neighbours

Чому справжні риби насправді це роблять

Зграя надає справжнім рибам вимірювані переваги виживання, тому ця поведінка еволюціонувала незалежно у багатьох видів. Щільна, швидка зграя ускладнює хижакам цілитись в окрему особу – явище, яке дослідники називають ефектом дезорієнтації, а раптова, синхронізована зміна напрямку від загрози може поширюватися по зграї як хвиля за лічені секунди, набагато швидше, ніж одна риба реагувала б самостійно. Плавання поруч з іншими може зменшити опір води для деяких видів (подібно до польоту птахів у формації) та покращити колективну здатність групи виявляти їжу чи небезпеку, оскільки багато пар очей і сенсорів бічних ліній покривають більшу площу, ніж одна.

Відчуття без зорового контакту: боковий канал

Риби не покладаються виключно на зір для відстеження положення та швидкості своїх сусідів. По всій довжині тіла риби пролягає боковий канал – ряд чутливих органів, які реагують на незначні зміни тиску та рух води, викликані переміщенням сусідніх риб. Це дозволяє рибі відчувати рух сусіда навіть у мутній воді або злегка позаду, де його неможливо побачити безпосередньо – що й пояснює, чому школи можуть підтримувати щільну форму та реагувати одночасно, навіть вночі чи в хмарну погоду.

Додавання перешкод та годування симуляції

Четверте правило, уникнення перешкод, спрямовує кожного симульованого рибалка від стінок акваріума, скель або інших меж – зазвичай це реалізується шляхом кидання короткого променя або перевірки зони поблизу перед рибалкою та додавання відштовхуючої сили керування, якщо перешкода виявлена, поряд із трьома силами зграйної поведінки.

Поведінка годування додає силу прагнення до цілі в бік частинок корму, яка тимчасово перезаписує або змішується з когезією. Саме тому школа розкиду розпадається на угруповання та сходиться до їжі, а потім знову формує поведінку зграї після її споживання – той самий трюк із зваженим змішуванням сил, але тепер додано новий притягач.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Aquarium і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.