Estudi del moviment i el comportament col·lectiu de peixos, robots i abelles

El comportament col·lectiu dels animals és ubic a la natura. Sorgeix de la interacció entre individus d’un grup. Tot i així, no pot ser predit només a partir de les accions individuals dels seus integrants. En les darreres dècades, hi hagut un interès creixent en entendre com el comportament col·lectiu emergeix de les interaccions individuals. Aquesta recerca ha revelat que l’autoorganització en sistems biològics comparteix propietats funcionals comunes que poden desencadenar transicions que doten als col·lectius de capacitats adaptatives.

Aquest treball es centra en l’estudi dels mecanismes pels quals els comportaments col·lectius complexes sorgeixen i s’adapten. Ens centrarem en l’anàlisi del moviment col·lectiu de bancs de peixos i el consens en eixams de robots que modelen el procés amb el qual les abelles escullen l’ubicació d’un nou rusc.

Estudiem el moviment col·lectiu del peix tetra negre neon (\textit{Hyphessobrycon herbertaxelrodi}) amb un programari personalitzat que extreu les trajectòries individuals dels individus d’un banc a partir d’enregistraments d’un aquari experimental. Els resultats mostren una forta relació entre la velocitat a la que neden i l’ordre col·lectiu. Explorem aquesta correlació en el model de Vicsek, que demostra la transició de fase, des del desordre fins a l’ordre, amb l’augment de la velocitat de les partícules. Modificant el model de Vicsek per incloure una oscil·lació de velocitat periòdica, podem replicar la locomoció del tetra negre neon. Això suggereix que els piexos poden reduir l’efecte del soroll augmentant la velocitat i afavorint les forces d’alineament. Modulant la sincronització direccional amb la velocitat, els peixos poden intercanviar informació de manera més ràpida i eficient, la qual cosa té beneficis adaptatius.

També investiguem la presència i característiques de les allaus als bancs de peixos quan canvien sobtadament de direcció. S’observa que la mida i durada d’aquestes allaus segueix un patró lliure d’escala, similar al de sistemes crítics autoorganitzats. Adicionalemnt, alguns peixos són més propensos a desencadenar allaus, actuant efectivament com a líders. A l’incorporar un líder global que periòdicament canvia de direcció, repliquem -- en el model de Viscek -- el comportament lliure d’escala obervat en els bancs de peixos.

Per analitzar le presa de decisions col·lectives, estudiem un model descentralitzat que simula el procés pel qual les abelles escullen l’indret per un nou rusc. El model integra la cerca independent d’ubicacions i la comunicació per arribar a un consens pel millor lloc. Carecteritzem els paràmetres del model amb una aproximació de camp mitjà i provem la seva viabilitat afegint espai, localitat i contextualització a la dinàmica utilitzant kilobots, robots d’eixam capaços d’intercanviar informació amb robots veïns. El nivell de consens estacionari als nostres resultats amb kilobots s’assembla notablement als valors del consens estacionari obtinguts per aproximació de camp mitjà. Per explicar aquest resultat, examinem la connectivitat del sistema de kilobots a la nostra arena experimental, i demostrem que -- a partir de les interaccions locals i la mobilitat -- els kilobots formen una xarxa percolada de comunicació des de la que transmeten informació tan eficientment com en l’aproximació de camp mitjà. El moviment dels kilobots indueix efectivament una extensió del radi d’interacció respecte a l’escenari estàtic, especialment important en el règim d’alta comunicació. Els nostres resultats demostren que aquest model pot explicar com les abelles arriben a un consens sobre la millor situació per al nou rusc amb interaccions dinàmiques locals.

Els nostres descobriments inspiren una exploració més profunda en la variabilitat dels individus en l’autoorgantizació de sistemes, amb l’objectiu de desenvolupar models més extensos i expandir el coneixement sobre l’universalitat del comportament col·lectiu.