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Collective motions of fish originate from balanced local perceptual interactions and individual stochastics

集体行为 统计物理学 群体行为 感知 卷积(计算机科学) 计算机科学 复杂度 物理 平衡(能力) 人工智能 生物 人工神经网络 渔业 神经科学 社会科学 人类学 社会学
作者
Mingjie Jiang,Anyu Zhou,Runping Chen,Yuqin Yang,Hao Dong,Wei Wang
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:107 (2): 024411-024411 被引量:10
标识
DOI:10.1103/physreve.107.024411
摘要

The movement of a group of biological individuals, such as fish schools, can evolve from disordered motions to synergistic movements or even ordered patterns. However, the physical origins behind such emergent phenomena of complex systems remain elusive. Here, we established a high-precision protocol for studying the collective behavior of biological groups in quasi-two-dimensional systems. Based on our video recording of ∼600h of fish movements, we extracted a force map of the interactions between fish from their trajectories using the convolution neural network. Presumably, this force implies the fish's perception of the surrounding individuals, the environment, and their response to social information. Interestingly, the fish in our experiments were predominantly in a seemingly disordered swarm state, but their local interactions were clearly specific. Combining such local interactions with the inherent stochasticity of the fish movements, we reproduced the collective motions of the fish through simulations. We demonstrated that a delicate balance between the specific local force and the intrinsic stochasticity is essential for ordered movements. This study presents implications for self-organized systems that use basic physical characterization to produce higher-level sophistication.
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