Живые алгоритмы: как мурмурация стала основой биоподобных технологий

Сотни и даже тысячи птиц синхронно координируют свои движения в воздухе, создавая впечатляющие динамичные фигуры. Это явление, известное как мурмурация, не только восхищает своей красотой, но и демонстрирует сложные биологические и социальные процессы, отражающие аспекты коллективного поведения животных.

Мы обсудили с учеными механизмы и стратегии, лежащие в основе таких паттернов движения. Однако возникает вопрос, свойственны ли подобные алгоритмы другим видам? И как построение компьютерных моделей природного явления может усовершенствовать робототехнику? Интересно, что хотя запечатлеть мурмурацию достаточно сложно, завораживающее явление уже вдохновило многих мастеров современного искусства.

Причины полетов

В переводе с латинского «murmuratio» означает «бормотание», так обозначили шелест крыльев птиц при массовом полете. За этими фигурами высшего пилотажа нет лидера, птицам удается достигать синхронности, не имея руководящего начала. Среди основных причин мурмурации ученые называют обучение молодых особей полету и защиту от хищников.

«Скопления небольших птиц привлекают пернатых хищников, таких как ястребы и соколы, но численное превосходство во время мурмурации снижает вероятность того, что отдельная особь станет добычей. Мурмурация свойственна птицам отряда воробьеобразных. В массовом многотысячном проявлении ее наблюдают у наших скворцов в послегнездовой сезон, когда осенью они собираются кормиться в полях. Также мурмурацию фиксируют во время и после перелетов, на зимовках в Средиземноморье, Предкавказье, Причерноморье. Основу этих стай составляют и молодые птицы, из-за чего долгое время причиной явления считали обучение „пилотажу“, — объяснил орнитолог и биогеограф Евгений Коблик, старший научный сотрудник Научно-исследовательского Зоологического музея МГУ им. М. В. Ломоносова, кандидат биологических наук.

В средней полосе России многие наблюдают мурмурацию у галок, однако у этого вида птиц она не такая зрелищная. Галки не создают при движении сложных, перетекающих друг в друга фигур, поскольку их стаи редко превышают сотню птиц. В других странах многотысячные стаи во внегнездовой сезон формируют ткачики, обитающие в Африке.

Мурмурацию считают также элементом комфортного поведения и саморегуляции птиц. Выполнение сложных фигур свидетельствует о здоровье особей в стае, их высокой адаптации к окружающей среде и способности противостоять внешним угрозам. Подобную форму «игры-полета» рассматривают как процесс социализации птиц.

Мурмурация птиц

«В коллективное действие вовлечены практически все члены стаи, за исключением больных или ослабленных особей. Такое взаимодействие между птицами сравнивают с формированием дружественных или партнерских отношений между людьми. Как проявляют комфортное поведение другие животные? Кошка играет со своим хвостом, собака носится взад-вперед по лужайке, а птицы выполняют фигуры высшего пилотажа. Этот процесс можно сравнить с игрой, проявлением высшей нервной деятельности и интеллектуальных способностей. Однозначно птицам нравится проводить время подобным образом», — считает Евгений Коблик.

Как правило, мурмурация птиц происходит при ясной погоде и умеренном ветре. Скворцы организуют свои полеты в течение часа перед ночевкой, незадолго до заката солнца. В вечернее время «летно-тактические учения» устраивают и галки, а мурмурацию африканских ткачиков можно наблюдать в любое время суток.

«Поймать» мурмурацию

Больше возможностей к исследованию явления открывается для ученых из стран с мягким климатом, куда птицы отправляются на зимовку. В России «поймать» мурмурацию птиц считается большой удачей, чаще всего запечатлеть «воздушный танец» удается в южных регионах.

Мурмурация. Алексей Школьный

Фотограф Алексей Школьный снял мурмурацию по пути из Краснодара в Анапу. Это явление как житель юга он наблюдал с детства, поэтому сразу среагировал и достал камеру. Ему помог сориентироваться и опыт съемок дикой природы, член Русского географического общества неоднократно сотрудничал с орнитологами.

«Снять мурмурацию — задача не из легких, увидеть такое количество птиц одновременно — все-таки редкость. Нужно оказаться в нужное время и в нужном месте, потому что подобную съемку нельзя спланировать. Смотреть через видоискатель, конечно, не так увлекательно, как наблюдать невооруженным глазом, но мне хотелось зафиксировать этот момент, чтобы поделиться им потом с другими людьми. Птицы перемещаются очень быстро, и даже если вы находитесь рядом, наблюдая за мурмурацией, это не гарантирует, что через 10 секунд стая останется поблизости. Скворцы могут резко сменить направление, и момент будет утерян. Поэтому скорость и реакция играют ключевую роль, мой совет другим фотографам — всегда держите камеру наготове!» — рассказал фотограф.

Паттерны движения

Объемные фигуры переменной плотности, словно «перетекающие» друг в друга и стремительно меняющие направление. Во время мурмурации птицы могут развивать скорость до 50 км/ч. Орнитолог Эдмунд Селус в 30-е годы ХХ века выдвинул гипотезу, что синхронности птицы достигают благодаря телепатии. Но европейские ученые вскоре опровергли эту версию, установив, что птицы поддерживают оптимальную плотность стаи при передвижении с помощью зрения.

«Скоординированные и плавные движения птиц обусловлены высокой временной разрешающей способностью их зрения. Светочувствительные клетки сетчатки глаза реагируют на световые импульсы, позволяя мозгу обрабатывать более 100 изменений в секунду. Положение птиц зависит от прохождения света через стаю, что влияет на их размещение и движение. Итальянские ученые также установили, что оптимальными в стае являются микрогруппы из 7 скворцов. При перемещении каждая птица ориентируется на три зоны: зону притяжения (участок до ближайшей птицы впереди), зону отталкивания, чтобы избежать столкновений, и зону углового выравнивания, это ориентация на соседей», — прокомментировал Евгений Коблик.

Анализируя схемы и маршруты движения птиц, исследователи разработали компьютерные модели мурмурации. Это привело к возникновению новых вопросов: существуют ли другие механизмы, помимо зрения, которые могут управлять скоординированным движением птиц? Акустические сигналы тоже могут влиять на этот процесс, но, вероятно, в гораздо меньшей степени, чем зрение.

Крупным птицам мурмурация несвойственна, они не образуют больших плотных стай. Тем не менее, формируя группы, они все равно движутся упорядоченно. Примером тому служат журавлиный клин или «цепочки» бакланов, которые птицы образуют, летая в небольших группах.

Аналоги мурмурации у других видов животных

Несмотря на то, что мурмурацию наблюдают исключительно у птиц, схожие алгоритмы движения есть и у других животных. Так, большие стаи при миграции и поиске пищи образуют бабочки, саранча и пчелы. Плотные группы могут создавать комары-толкунчики. У млекопитающих мурмурацию напоминают «хороводы» северных оленей, которые они «заводят» во время опасности и при стрессе. Стайное движение рыб изучают такие науки, как ихтиология и этология.

«С мурмурацией можно соотнести движение мелких стайных рыб, например, сардин, анчоуса, кильки. Ведутся даже дискуссии по поводу „мурмурации“ у мелких океанических ракообразных — криля. Кстати, дельфины научились противостоять „мурмурации“. Они закручивают косяк рыб в кольцо, из-за чего он вынужден двигаться в ограниченном пространстве. Подобравшись к такому кольцу снаружи, дельфины спокойно выхватывают свою добычу», — отметил Евгений Коблик.

Мурмурация рыб

Стайное движение рыб активно исследовали в Японии. Проанализировать поведение животных пытались в практических целях, чтобы повысить эффективность рыбных ферм. Полученные данные позволили усовершенствовать параметры периодичности и интенсивности кормления животных.

«Вместе с моим коллегой Геном Ли мы обратились к фундаментальному вопросу алгоритмов движения рыб. Эта тема интересовала ученых и ранее, например, ей занимались в Институте поведения животных имени Макса Планка в Констанце. В процессе формирования стаи рыб образуются пары, при этом одна рыба находится впереди, а другая следует за ней немного позади. Это оптимальное положение позволяет второй рыбе попасть в область восходящего потока воды, создаваемого первой, что значительно снижает затраты энергии. В процессе движения рыбы могут перегруппироваться, поменять свои позиции, но стая будет по-прежнему организована из таких элементарных блоков. Точно также движутся и пары дельфинов, допустим, когда рядом плывут самка и детеныш», — поделился Дмитрий Коломенский, старший преподаватель Центра технологий материалов Сколковского института науки и технологий, кандидат технических наук.

Информацию о положении соседей в стае рыбы получают благодаря зрению и системе боковой линии, позволяющей ориентироваться даже в темноте или мутной воде.

Компьютерные модели и биоинспирированная робототехника

Исследуя данные о коллективном движении животных, ученые создают компьютерные модели, которые открывают новые возможности для разработки «природоподобных алгоритмов». Стремительное развитие прикладной науки бионики — пример того, как свойства живой природы трансформируются в инновационные решения, находящие применение в разных областях, от робототехники до создания «умных городов». Алгоритмы, основанные на мурмурации, используют в работе спутников, беспилотных летательных аппаратов и подводных дронов, предназначенных для изучения океанов. Эти усовершенствованные системы позволяют роботам самостоятельно «принимать решения» на основе информации, поступающей от «роботов-соседей» в их «стае». Такой подход обеспечивает эффективное взаимодействие и адаптацию к изменяющимся условиям, что значительно повышает их функциональность и эффективность при выполнении задач.

«Есть модели с заданным числом „индивидов“ с определенной схемой поведения, на них можно накладывать различные возмущения, ветер или другие помехи. Такую модель можно усложнять, повышая точность и дополняя ее новыми элементами. Например, в наших исследованиях мы разрабатывали модели движения рыб, учитывающие гидродинамику. В моделях, где распределение частиц оценивают по плотности, создается некая активная среда, необходимая для анализа распространения волн. Визуальные изменения, например, потемнение волны, могут указывать на „плотность группы“. Однако усложнять подобные модели с учетом помех будет труднее», — рассказал Дмитрий Коломенский.

Эффективность математических подходов при построении моделей мурмурации зависит от постановки задачи. Если цель модели — продемонстрировать, как особи избегают нападения хищников, то в ней учитывают такие факторы, как взаимодействие индивидов в группе, получение особями зрительной информации, гидро- или аэродинамические эффекты и влияние других сенсорных источников. В этой модели число индивидов будет соответствовать их реальному числу в группе. Если нужно будет сделать выводы о скорости распространения фронта волны, то уместно будет применить континуальную модель, позволяющую провести точный анализ.

При создании синтетических систем действия смогут выполнять группы роботов. В этом случае модели должны учитывать их параметры. Перенос методов на графические карты суперкомпьютеров позволяет исследовать большие группы со сложным взаимодействием.

«Мы пытались понять, как зондирование боковой линией позволяет рыбам определять относительное положение и разность фаз с соседями. Используя трехмерный подход к вычислительной гидродинамике, мы смоделировали двух рыб, плавающих рядом. Сигнал боковой линии получили путем дискретизации поверхностного гидродинамического напряжения и обработали его с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ). Анализируя данные, мы установили, что сигналы могут отражать относительное положение, разность фаз и частоту ударов хвоста рыбы-соседа. На основе полученных данных мы подготовили предложения по проектированию искусственных систем с несколькими датчиками напряжения для рыб-роботов, что улучшит их производительность при „коллективной работе“, — резюмировал ученый Сколтеха.

Разработка найдет применение в биоинспирированной плавательной робототехнике. Подобные роботы воспроизводят естественные способы передвижения животных в водной среде. Технологию могут использовать для изучения морских экосистем и их обитателей, для поиска и спасения людей, экологического мониторинга и инспекции подводных сооружений.

От науки к цифровому искусству

Алгоритмы мурмурации стали источником вдохновения не только для ученых, но и для представителей искусства. Художник Данил Карамушкин воплотил природное явление в цифровом формате. Его работа «Мурмурация» экспонировалась на медиакуполе информационного центра парка «Зарядье». Работая с генеративной графикой, художник обратил внимание на сходство между поведением частиц в цифровой среде и движением птичьих стай. Это напомнило автору, как в детстве он наблюдал за стрижами и ласточками в родном Пятигорске, птицы синхронно меняли направление, создавая красивые воздушные узоры. Изучив мурмурацию, Данил обнаружил математические параллели в движении птиц и «поведении» частиц.

«Мурмурация». Данил Карамушкин

«В моей работе эффект бесконечного перетекания форм имитирует движение частиц по траекториям тора, фигуры, напоминающей кольцо. Динамики я достиг через систему таких параметров, как скорость, плотность, реакция на „соседей“. В итоге движение выглядит живым, хотя оно полностью алгоритмическое. Я работал с TouchDesigner и Python, основой стал код, который управлял поведением частиц. Траектории строились на основе математических моделей, а визуальная эстетика — через специальные программы и постобработку. Для меня „Мурмурация“ — это метафора цифровой эпохи, виртуальные частицы, как птицы, подчиняются невидимым алгоритмам, создавая гармонию из хаоса. Но если в природе это инстинкт выживания, то в цифровом мире — вопрос этики и осознанности. Моя работа не просто повторяет красоту явления, но и предлагает зрителю задуматься: кто или что управляет нашими „траекториями“ сегодня?» — размышляет художник.

В будущем биоинспирированные решения, объединяющие природу и технологии, могут стать неотъемлемой частью повседневной жизни. А мы будем внимательно следить за тем, какие преобразования принесет новая эра технического прогресса.

Светлана Минеева