[论文解读] 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 27

一句话总结

研究表明，当蚂蚁协同搬运经过障碍时，约束引发的松弛振荡作为群体层面的解决方案出现，而不是来自个体行为的改变，并由一个两力模型解释（朝巢方向的有信息拉力和无信息的运动对齐），其相互作用根据系统规模产生秩序、振荡或完全旋转。

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.

研究动机与目标

• 研究障碍约束如何影响蚂蚁群体的协同行动运输。
• 确定障碍诱发的振荡是群体层面的涌现，而非由个体行为改变驱动。
• 用受约束的实验数据检验一个最小、物理学上有依据的模型，以评估其预测能力。

提出的方法

• 将带系绳负载的实验与障碍设置结合，以引发受约束的协同搬运。
• 使用一个机械耦合的主动代理统计物理模型，区分有信息的（指向巢的）蚂蚁与无信息的（运动对齐的）蚂蚁。
• 通过绳系约束修改模型，以在不改变个体决策规则的情况下再现障碍诱发的动力学。
• 将模型参数拟合到实验观测量，如角速度、振幅分布和相空间轨迹。
• 分析一个简化的三相（静止、振荡、旋转）动力学系统，以阐明分岔结构与转变。

实验结果

研究问题

• RQ1 障碍约束是否会在协同运输中诱发涌现的群体振荡？
• RQ2 一个最小的两力模型（有信息的与无信息的蚂蚁）能否在不改变个体行为的前提下再现障碍诱发的振荡？
• RQ3 系统规模如何影响受约束蚂蚁群体中从无序到振荡再到旋转运动的转变？
• RQ4 系绳长度与振荡周期之间的关系是什么，模型能否预测（包括完全旋转在内的）制度转变？

主要发现

• 障碍约束诱发几乎确定性的切向振荡，帮助绕过障碍。
• 振荡并非任何单个蚂蚁改变其行为程序而产生；它们是冲突力作用下的群体层面的涌现效应。
• 一个包含有信息（巢指向）与无信息（运动对齐的）蚂蚁的最小模型在定量上匹配受约束的实验数据。
• 存在尺寸相关的有序-无序转变：小群体表现出随机游走样的行为，而较大群体表现出持续振荡或完全旋转。
• 振荡器周期与系绳长度线性相关并随系统规模增大而增加，预测有转向旋转的转变边界。
• 对不同尺寸负载的实验证实模型预测，包括对较大物体发生完全旋转的情形。