藉助機器魚幫忙，科學家研究了動物的集體行為模式

2020-09-17 科學大觀園雜誌


和孔雀魚在一起的機器魚。

動物群體一起移動所創造的壯觀景象一直吸引著人類。近日，德國康斯坦茨大學、萊布尼茨淡水生態和內陸漁業研究所的科學家們通過使用最先進的機器人技術，發現動物的速度是集體行為模式的基礎，速度越快的個體對群體層面行為的影響越大。

這項研究對自然界複雜的集體行為模式提出了新見解，將來可能有助於開發集體移動的機器人系統（如機器人群、無人駕駛汽車和無人機群）。該研究於當地時間9月16日發表於《生物學快報》雜誌。

此前，科學家們通過行為實驗、計算機模擬和實地觀察的結合發現，許多看似複雜的動物集體行為模式實際上可以用相對簡單的規則解釋：如果同伴距離太近，就遠離它們；如果同伴距離太遠，就加速靠近它們；或者以同樣的速度和同伴保持一致。

論文第一作者、康斯坦茨大學的科學家Jolle Jolles博士表示：「由於動物的行為差異很大，除了了解個體在與同伴互動時所遵循的規則，我們還需要考慮個體的行為和特徵，並確定它們對集體結果的影響。」

為弄清個體差異在集體行為中的作用以及集體行為背後的機制，研究小組製作了一種「機器魚」。它的外表和行為都和真正的孔雀魚相似，還能自然地與活魚互動。

研究人員將機器魚和不同的孔雀魚配對，並對其進行編程，使其始終跟隨同伴並模仿其動作，然後使用高清視頻跟蹤和閉環反饋系統，讓機器魚對活魚的動作做出實時反應。

論文另一作者David Bierbach博士說：「利用與魚群保持恆定的距離這一簡單的互動規則，機器魚會通過加速和減速來保持與活魚的距離。沒有自身運動偏好的機器魚也讓我們有機會研究活魚的個體行為差異是如何導致群體水平差異的。簡而言之，通過這種方法，我們可以發現魚的移動速度對集體行為有何影響。」最終的結果顯示，速度快的孔雀魚與機器魚配對時，集體的行為更加一致、協調，但集體凝聚力較差。因此，速度快的活魚成為了明確的領導者，這也最終導致了群體層面屬性的差異。

該研究表明：個體速度是集體行為模式產生的一個基本因素。由於個體速度差異與動物群體中廣泛的表型特徵（如尺寸及年齡）有關，因此這項研究的結果可能有助於理解類似的異質性在動物群體中的作用。

原創編譯：花花 審稿：西莫 責編：陳之涵

期刊來源：《生物學快報》

期刊編號：1744-9561

原文連結：https://phys.org/news/2020-09-extremely-social-robotic-fish-unravel.html

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