La visione artificiale rivela il notevole segreto del floccaggio

Osserva uno stormo di storni per alcuni minuti ed è facile vedere il suo straordinario comportamento. Gli uccelli sembrano muoversi in sincronia anche se possono essere separati dalla larghezza dello stormo stesso. In qualche modo il movimento degli uccelli sui lati opposti dello stormo deve essere correlato anche se possono comunicare solo ragionevolmente con i loro vicini più prossimi.

Il modo in cui ciò accade è stato oggetto di molto fascino. Un modo per affrontare questo problema è simulare il comportamento del floccaggio su un computer, confrontare la simulazione con il comportamento effettivo del floccaggio e quindi tentare di spiegarlo.

Questo ha certamente prodotto alcune intuizioni interessanti, ma soffre di una grave mancanza di misurazioni dettagliate del comportamento reale degli uccelli in stormi su larga scala. Ciò è recentemente cambiato con l'avvento di tecniche avanzate di visione artificiale in grado di misurare la posizione e la velocità di un gran numero di oggetti in movimento in un singolo fotogramma.

Oggi, William Bialek dell'Università di Princeton e alcuni amici usano questi nuovi dati per costruire il modello teorico più semplice in grado di riprodurre il comportamento effettivo di greggi reali.

Il loro modello produce un'intuizione notevole. Dicono che gli stormi di storni operano in uno stato fisico molto speciale che consente alle correlazioni tra i singoli uccelli di estendersi più o meno all'infinito, in questo caso su tutta la larghezza dello stormo.

Bialek e compagni iniziano analizzando la posizione e la velocità di tra 122 e 4268 storni in 21 distinti eventi di stormo. Usano questi dati per elaborare le correlazioni tra il movimento dei singoli uccelli nello stormo e la varianza delle loro velocità rispetto alla media.

Queste misurazioni mostrano che il comportamento degli uccelli è straordinariamente fine. I singoli uccelli volano a velocità molto simili a quelle dei loro vicini. In altre parole, corrispondono sia alla velocità che alla direzione degli uccelli che volano nelle vicinanze.

Ciò solleva una domanda interessante. Il comportamento di ogni uccello è correlato con i suoi vicini più prossimi, ma in condizioni normali, questa correlazione dovrebbe decadere su una scala di distanza caratteristica, di solito non molto oltre la distanza tra gli uccelli stessi.

Quindi, con questo modo di pensare, solo gli uccelli vicini possono essere sincronizzati creando piccoli gruppi indipendenti.

Come si può allora sincronizzare l'intero gregge? È qui che torna utile un po' di fisica. I fisici conoscono da tempo i cambiamenti di fase nei sistemi in cui un piccolo cambiamento in un parametro può portare a un enorme cambiamento nelle proprietà di massa del sistema.

Un famoso esempio è un magnete in cui un piccolo cambiamento di temperatura fa sì che gli spin di un magnete si allineino improvvisamente. Al di sotto di questa temperatura il comportamento di massa è come un magnete, al di sotto di questa temperatura il materiale non è un magnete.

Il punto importante, tuttavia, è che quando si verifica questo cambiamento, gli spin separati da grandi distanze diventano correlati. In effetti, la scala di correlazione diventa infinitamente grande.

Il punto in cui ciò si verifica in un sistema è noto come punto critico. Ciò che sembra chiaro riguardo al floccaggio è che anch'esso può verificarsi solo in un punto critico in cui la scala di correlazione si estende all'intero gruppo. Quando ciò accade, tutti i piccoli gruppi di uccelli vicini si comportano all'unisono, che è ciò che crea il caratteristico comportamento di stormo.

Questo comportamento critico esce naturalmente dal modello che Bialek e co hanno creato e che descrivono con grande chiarezza come un sistema di molle che collegano ogni uccello ai suoi vicini più prossimi e che possono essere sintonizzati in modo da cambiare l'influenza che hanno l'uno sull'altro.

A prima vista, sembra notevole che il comportamento complesso di un così grande numero di organismi individuali possa essere così finemente bilanciato da operare in un punto critico.

Biologicamente, gli uccelli possono variare la loro velocità sia per ragioni individuali, sia per seguire i loro vicini, parallelamente alle forze in competizione catturate nel modello. In questo linguaggio, il punto critico è il luogo in cui le forze sociali sopraffanno le preferenze individuali, affermano Bialek e co.

Ma ciò implica che c'è qualcosa di speciale nel comportamento sociale degli uccelli che porta a questo punto critico. Non è chiaro come gli uccelli gestiscano le interazioni sociali, ma offrono sicuramente un enorme vantaggio. Quando uno stormo si allontana dal punto critico, un uccello alla periferia dello stormo può influenzare i suoi vicini più prossimi solo quando si avvicina un predatore.

Ma tutto cambia quando il gregge opera nel punto critico. In tal caso, un individuo che individua un predatore può influenzare il comportamento dell'intero gregge. In effetti, ci sono molte prove che gli stormi sono notevolmente immuni dagli attacchi dei predatori. Sappiamo che gli attacchi dei predatori a un gregge hanno tassi di successo molto bassi, affermano Bialek e co.

Questa è una visione affascinante della fisica complessa dietro un fenomeno biologico straordinario e bellissimo. Può anche fornire informazioni su come i sistemi artificiali possono sfruttare le criticità. Non è difficile immaginare come questo comportamento possa essere utile per controllare sciami di robot o anche per instradare le informazioni attraverso le reti.

Rif: arxiv.org/abs/1307.5563 : Le interazioni sociali dominano il controllo della velocità nel guidare gli stormi naturali verso la criticità

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