[논문 리뷰] Emergent oscillations assist obstacle negotiation during ant cooperative transport

Aviram Gelblum, Itai Pinkoviezky외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 20.

Insect and Arachnid Ecology and Behavior참고 문헌 89인용 수 27

한 줄 요약

연구는 개미들이 협력해 하중을 운반하다가 장애물에 부딪히면 제약으로 인한 이완 진동이 개체 행동의 변화가 아니라 군집 수준의 해법으로 나타나며, 이는 두 힘 모델(정보를 가진 개미의 내선 방향으로의 당김 및 정보 없이 움직임에 맞춰 정렬되는 동작)이 서로 상호작용해 시스템 크기에 따라 질서, 진동, 혹은 완전한 회전을 만들어 낼 수 있음을 설명한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 장애물 제약이 개미 그룹의 집단 수송에 어떤 영향을 미치는지 조사한다.
• 장애물로 인한 진동이 개인의 행동 변화에 의해 유도되기보다는 그룹 수준에서 자발적으로 나타나는 것인지 판단한다.
• 제약된 실험 데이터에 대해 물리적으로 기반을 둔 최소 모델을 검증하여 예측력을 평가한다.

제안 방법

• 제약된 협력 수송을 유도하기 위해 끈으로 매달린 하중(tethered-load)과 장애물 설정을 결합한 실험을 사용한다.
• 정보를 가진(둥지 방향으로의 당김)과 정보를 갖지 않는(운동 정렬) 개미를 구분하는 기계적으로 결합된 활성 에이전트의 통계물리 모델을 사용한다.
• 개별 의사결정 규칙을 바꾸지 않으면서도 장애물 유도 역학을 재현하기 위해 모델에 매 tether 제약을 도입한다.
• 각속도, 진폭 분포 및 위상공간 궤적과 같은 실험 관측값에 맞춰 모델 매개변수를 맞춘다.
• 단순화된 세 단계(정지, 진동, 회전) 동역학 시스템을 분석하여 분기 구조와 전이들을 밝힌다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 장애물 제약이 협력 수송에서 자발적 집단 진동을 유도하는가?
• RQ2 개별 행동을 바꾸지 않고도 정보 보유-개미와 비정보 보유 개미의 두 힘으로 구성된 최소 모델이 장애물 유발 진동을 재현할 수 있는가?
• RQ3 제약된 개미 그룹에서 무질서한 상태에서 진동 상태, 회전 상태로의 전이가 시스템 크기에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ4 매 tether 길이와 진동 주기의 관계는 무엇이며, 모델이 완전한 회전을 포함한 제어 전이(regime transitions)를 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 장애물 제약은 거의 결정적에 가까운 접선 방향 진동을 유발하여 장애물 우회를 용이하게 한다.
• 진동은 개별 개미가 행동 프로그램을 변경하지 않아도 나타나며, 이는 상충하는 힘의 군집 수준의 자발적 효과이다.
• 정보를 가진(둥지 방향) 및 비정보(운동 정렬) 개미를 포함한 최소 모델이 제약된 실험 데이터와 정량적으로 일치한다.
• 크기에 따른 질서–무질서 전이가 있다: 작은 그룹은 난류-무작위 움직임에 가깝고, 큰 그룹은 지속적 진동이나 완전한 회전을 보인다.
• 발진기의 주기는 매 tether 길이에 선형적으로 비례하고 시스템 크기가 커질수록 증가하며 회전으로의 예측되는 전이 경계가 있다.
• 다른 크기의 하중으로 수행한 실험은 모델 예측을 확인하며, 더 큰 물체에서 완전한 회전이 일어나는 영역도 포함한다.]
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