[論文レビュー] Emergent oscillations assist obstacle negotiation during ant cooperative transport

Aviram Gelblum, Itai Pinkoviezky+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2021

Insect and Arachnid Ecology and Behavior参考文献 89被引用数 27

ひとこと要約

この研究は、アリが協同して荷を運搬中に障害物に遭遇すると、個体の行動の変化ではなく群れレベルの解として制約誘発緩和振動が現れることを示し、それは二力モデル（巣へ向かう情報付与の引張と情報なしの動きの整列）により説明される。相互作用は系のサイズに応じて秩序、振動、または完全回転を生み出す。

ABSTRACT

Collective motion by animal groups is affected by internal interactions, external constraints and the influx of information. A quantitative understanding of how these different factors give rise to different modes of collective motion is, at present, lacking.} Here, we study how ants that cooperatively transport a large food item react to an obstacle blocking their path. Combining experiments with a statistical physics model of mechanically coupled active agents, we show that the constraint induces a deterministic collective oscillatory mode that facilitates obstacle circumvention. We provide direct experimental evidence, backed by theory, that this motion is an emergent group effect that does not require any behavioral changes at the individual level. We trace these relaxation oscillations to the interplay between two forces; informed ants pull the load towards the nest while uninformed ants contribute to the motion's persistence along the tangential direction. The model's predictions that oscillations appear above a critical system size, that the group can spontaneously transition into its ordered phase, and that the system can exhibit complete rotations are all verified experimentally. We expect that similar oscillatory modes emerge in collective motion scenarios where the structure of the environment imposes conflicts between individually held information and the group's tendency for cohesiveness.

研究の動機と目的

• 障害物の制約がアリの群れの集団輸送にどのように影響するかを調査する。
• 障害物誘発の振動が個体の行動変化によって生じるのではなく群レベルで発生するかを判断する。
• 制約を含む実験データに対して最小限で物理学的に根拠のあるモデルを適用し、その予測力を評価する。

提案手法

• 拘束された協調輸送を促すために、テザー付き荷と障害物設定を組み合わせる。
• 情報を持つ（巣指向）と情報を持たない（運動整列）のアリを区別する機械的に結合した活発なエージェントの統計物理モデルを用いる。
• 個体の意思決定ルールを変えることなく、障害物誘発のダイナミクスを再現するためにテザー制約を用いてモデルを修正する。
• 角速度、振幅分布、位相空間軌道などの実験観測量にモデルパラメータを適合させる。
• 三相（ stationary, oscillations, rotations ）の簡略化した動的系を解析して分岐構造と遷移を解明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 障害物の制約は協調輸送において群集レベルの発生的な振動を誘発するか？
• RQ2 情報を持つアリと情報を持たないアリの2力モデルは、個体の行動を変えずに障害物誘発の振動を再現できるか？
• RQ3 制約を受けたアリの群において系のサイズは、無秩序→振動→回転運動への遷移にどのように影響するか？
• RQ4 テザー長と振動周期の関係は、モデルが回転へ至る臨界を予測できるか（完全回転を含む）

主な発見

• 障害物の制約は障害物回避を促進するほぼ決定論的な接線方向の振動を誘発する。
• 振動は個々のアリがその行動プログラムを変更することなく生じるものであり、対立する力の群レベルの新たな効果として現れる。
• 情報を持つ巣指向アリと情報を持たない運動整列のアリを用いた最小モデルが、制約された実験データと定量的に一致する。
• サイズ依存の秩序-無秩序遷移があり: 小さな群はランダムウォークのような振る舞い、より大きな群は持続的な振動または完全回転を示す。
• 振動子の周期はテザー長に対して線形スケールし、系のサイズが大きくなると増加し、回転への遷移境界が予測される。
• 荷のサイズを変えた実験はモデル予測を確認し、より大きな物体に対して完全回転が発生する領域を含むことを示した。