Flocagem (comportamento) - Flocking (behavior)

Dois bandos de guindastes comuns
Um bando de estorninhos em forma de enxame

Bando é o comportamento exibido quando um grupo de pássaros, chamado de bando , está forrageando ou em vôo.

Simulações de computador e modelos matemáticos que foram desenvolvidos para emular o comportamento de bando de pássaros também podem geralmente ser aplicados ao comportamento de "bando" de outras espécies. Como resultado, o termo "bando" às vezes é aplicado, na ciência da computação, a outras espécies que não pássaros.

Este artigo é sobre a modelagem do comportamento de flocagem. Da perspectiva do modelador matemático, "flocagem" é o movimento coletivo de um grupo de entidades autopropelidas e é um comportamento animal coletivo exibido por muitos seres vivos, como pássaros , peixes , bactérias e insetos . É considerado um comportamento emergente decorrente de regras simples que são seguidas pelos indivíduos e não envolve nenhuma coordenação central.

Na natureza

Existem paralelos com o comportamento de cardume dos peixes, o comportamento de enxame dos insetos e o comportamento de rebanho dos animais terrestres. Durante os meses de inverno, os estorninhos são conhecidos por se agregarem em enormes bandos de centenas a milhares de indivíduos, murmurações que, quando voam juntos, geram grandes exibições de padrões de turbilhão intrigantes nos céus acima dos observadores.

O comportamento de flocking foi simulado em um computador em 1987 por Craig Reynolds com seu programa de simulação, Boids . Este programa simula agentes simples (boids) que podem se mover de acordo com um conjunto de regras básicas. O resultado é semelhante a um bando de pássaros , um cardume de peixes ou um enxame de insetos .

Medição

As medições do bando de pássaros foram feitas usando câmeras de alta velocidade e uma análise de computador foi feita para testar as regras simples de bando mencionadas acima. Verificou-se que eles geralmente são verdadeiros no caso de bando de pássaros, mas a regra de atração de longo alcance (coesão) se aplica aos vizinhos 5-10 mais próximos da ave em bando e é independente da distância desses vizinhos da ave. Além disso, há uma anisotropia em relação a essa tendência coesiva, com mais coesão sendo exibida em relação aos vizinhos dos lados da ave, ao invés de na frente ou atrás. Isso provavelmente se deve ao fato de o campo de visão do pássaro voador ser direcionado para os lados em vez de diretamente para a frente ou para trás.

Outro estudo recente é baseado em uma análise de imagens de câmeras de alta velocidade de bandos acima de Roma e usa um modelo de computador assumindo regras comportamentais mínimas.

Algoritmo

Regras

Modelos básicos de comportamento de flocagem são controlados por três regras simples:

Separação
Evite vizinhos aglomerados (repulsão de curto alcance)
Alinhamento
Orientar para a direção média dos vizinhos
Coesão
Orientar para a posição média dos vizinhos (atração de longo alcance)

Com essas três regras simples, o bando se move de uma forma extremamente realista, criando movimentos e interações complexos que seriam extremamente difíceis de criar de outra forma.

Variantes de regra

O modelo básico foi estendido de várias maneiras diferentes desde que Reynolds o propôs. Por exemplo, Delgado-Mata et al. estendeu o modelo básico para incorporar os efeitos do medo. O olfato era usado para transmitir emoções entre os animais, por meio de feromônios modelados como partículas em um gás de expansão livre.

Hartman e Benes introduziram uma força complementar ao alinhamento que eles chamam de mudança de liderança. Este boi define a chance do pássaro se tornar um líder e tentar escapar.

Hemelrijk e Hildenbrandt usaram atração, alinhamento e evitação, e ampliaram isso com uma série de características de estorninhos reais:

  • os pássaros voam de acordo com a aerodinâmica de asa fixa, enquanto rolam ao virar (perdendo assim a sustentação);
  • eles se coordenam com um número limitado de vizinhos de interação de 7 (como estorninhos reais);
  • eles tentam ficar acima de um local de dormir (como os estorninhos fazem ao amanhecer), e quando acontecem de se moverem para fora do local de dormir, eles retornam a ele girando; e
  • quarto, eles se movem a uma velocidade fixa relativa.

Os autores mostraram que as especificidades do comportamento de vôo, bem como o grande tamanho do rebanho e o baixo número de parceiros de interação, foram essenciais para a criação da forma variável dos bandos de estorninhos.

Complexidade

Em simulações de agrupamento, não há controle central; cada ave se comporta de forma autônoma. Em outras palavras, cada ave deve decidir por si mesma quais bandos considerar como seu ambiente. Normalmente, o ambiente é definido como um círculo (2D) ou esfera (3D) com um determinado raio (representando o alcance).

Uma implementação básica de um algoritmo de bando tem complexidade - cada ave procura em todas as outras aves para encontrar aquelas que caem em seu ambiente.

Possíveis melhorias:

  • subdivisão espacial bin- lattice . Toda a área em que o rebanho pode se mover é dividida em vários compartimentos. Cada caixa armazena quais pássaros contém. Cada vez que um pássaro se move de um compartimento para outro, a rede deve ser atualizada.
    • Exemplo: grade 2D (3D) em uma simulação de agrupamento 2D (3D).
    • Complexidade:, k é o número de caixas circundantes a serem consideradas; apenas quando o depósito de pássaros é encontrado em

Lee Spector, Jon Klein, Chris Perry e Mark Feinstein estudaram o surgimento do comportamento coletivo em sistemas de computação evolucionários.

Bernard Chazelle provou que, supondo que cada pássaro ajusta sua velocidade e posição aos outros pássaros dentro de um raio fixo, o tempo que leva para convergir para um estado estacionário é um exponencial iterativo de altura logarítmico no número de pássaros. Isso significa que se o número de pássaros for grande o suficiente, o tempo de convergência será tão grande que pode até ser infinito. Este resultado se aplica apenas à convergência para um estado estacionário. Por exemplo, flechas disparadas para o ar na borda de um bando farão com que todo o bando reaja mais rapidamente do que pode ser explicado pelas interações com os vizinhos, que são retardadas pelo atraso no sistema nervoso central da ave - ave-para -bird-to-bird.

Formulários

O comportamento de bando em humanos pode ocorrer quando as pessoas são atraídas para um ponto focal comum ou quando repelidas, como abaixo: uma multidão fugindo do som de tiros.

Em Colônia, Alemanha, dois biólogos da Universidade de Leeds demonstraram um comportamento semelhante ao de um rebanho em humanos. O grupo de pessoas exibiu um padrão de comportamento muito semelhante ao de um rebanho, onde se 5% do rebanho mudasse de direção, os outros seguiriam o exemplo. Quando uma pessoa era designada como predador e todos os demais deveriam evitá-la, o bando se comportava de maneira muito semelhante a um cardume de peixes.

Flocagem também foi considerada como um meio de controlar o comportamento de veículos aéreos não tripulados (VANTs).

Flocking é uma tecnologia comum em protetores de tela e encontrou seu uso na animação. Flocking tem sido usado em muitos filmes para gerar multidões que se movem de forma mais realista. Batman Returns (1992), de Tim Burton , apresentava morcegos em bandos.

O comportamento de flocagem tem sido usado para outras aplicações interessantes. Foi aplicado para programar automaticamente estações de rádio multicanal da Internet. Ele também tem sido usado para visualizar informações e para tarefas de otimização.

Veja também

Referências

Outras fontes

links externos