Collective phase transitions in confined fish schools

双稳态 集体行为 集体运动 领域(数学) 相(物质) 相变 控制(管理) 动力学(音乐) 计算机科学 统计物理学 物理 社会学 人工智能 数学 渔业 生物 量子力学 人类学 声学 纯数学
作者
Chenchen Huang,Feng Ling,Eva Kanso
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:121 (44) 被引量:1
标识
DOI:10.1073/pnas.2406293121
摘要

The collective patterns that emerge in schooling fish are often analyzed using models of self-propelled particles in unbounded domains. However, while schooling fish in both field and laboratory settings interact with domain boundaries, these effects are typically ignored. Here, we propose a model that incorporates geometric confinement, by accounting for both flow and wall interactions, into existing data-driven behavioral rules. We show that new collective phases emerge where the school of fish “follows the tank wall” or “double mills.” Importantly, confinement induces repeated switching between two collective states, schooling and milling. We describe the group dynamics probabilistically, uncovering bistable collective states along with unintuitive bifurcations driving phase transitions. Our findings support the hypothesis that collective transitions in fish schools could occur spontaneously, with no adjustment at the individual level, and opens venues to control and engineer emergent collective patterns in biological and synthetic systems that operate far from equilibrium.
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