Diffusion of individual birds in starling flocks
群集是集体动物行为的一个典型例子，分散的相互作用规则产生了一个全球有序的状态。在自组织秩序的出现中，我们发现了生物系统（如鸟群）和某些物理系统（如铁磁体）之间的相似之处。在这两种情况下，个人倾向于与邻居结盟，导致了两极分化的国家。然而，有一个关键的区别：动物群体内的互动网络不一定在时间上是固定的，因为每个个体都在移动，可能会改变它的邻居。因此，生物和物理系统中的动力学相互作用机制可能是完全不同的，这不仅是由于个体实体的复杂性的巨大差异，而且还因为个体间运动的潜在作用。为了评估这一机制的相关性，有必要获得有关群体内个体相对于彼此移动的定量实验信息。在这里，通过使用的数据，从现场观察椋鸟，我们研究了扩散特性的单个鸟类在一个群体中，并调查扩散的相互作用网络的动态的影响。我们发现，鸟类扩散速度比布朗粒子（超扩散）和强各向异性的方式。我们还发现，邻居在时间上的变化完全是扩散的结果，所以没有具体的机制来保持一个人的邻居似乎是强制执行的。最后，我们研究了鸟群边界的扩散特性。我们发现，这些人留在边界上的时间比预期的基础上的一个纯粹的扩散模型，这表明有一个排序的障碍，鸟必须跨越，使过渡从边界到内部的羊群。
2013-02-13 physics.bio-ph q-bio.PE
Marginal speed confinement resolves the conflict between correlation and control in natural flocks of birds
由于飞行的空气动力学和生物力学限制，自然鸟群中的个体鸟的速度波动是适度的。然而，这种波动的空间相关性是无标度的，也就是说，它们的范围与整个群一样宽，这一特性与系统集体响应外部扰动的能力有关。无标度相关性和适度波动对控制每个代理速度的机制设置了相互冲突的约束，因为增强相关性的因素放大了波动，反之亦然。在这里，使用统计场论的方法，我们建议，一个边际速度限制，忽略了小的偏差，从自然的参考值，同时凶猛地抑制较大的速度波动，是能够调和无标度的相关性与生物学上可接受的组的速度。我们通过将我们的理论预测与椋鸟群的现场实验数据进行比较来验证我们的理论预测，椋鸟群的群体规模跨越了前所未有的两个数量级以上的间隔。
2022-05-11 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.QM
Arbitrage Equilibrium, Invariance, and the Emergence of Spontaneous Order in the Dynamics of Birds Flocking
该研究提出博弈论框架，发现类鸟智能体自组织成鸟群时会趋近效用均等的套利均衡，且活性物质动力学存在不变量，为活性生物物质自组织行为提供了新理论解释。
2022-08-24 physics.bio-ph
Landing together: how flocks arrive at a coherent action in time and space in the presence of perturbations
自然界中有大量的集体运动，产生了大量近年来被研究的现象，包括鸟群的降落。我们研究的集体决策的情况下，一群鸟决定的最佳时间降落在没有一个全球性的领导者。我们引入一个简单的唯象模型的精神，统计力学为基础的自推进粒子（SPP-S）的方法来解释这个过程。我们希望我们的模型是适用于一个更大的类的时空决策的情况下，而不仅仅是降落的羊群（该过程被用作一个范例的情况下）。在模型中，鸟类只受可观察变量的影响，如位置和速度。鸟群中引入了异质性，即耗尽时间，之后鸟会感觉越来越倾向于向地面移动。我们的模型展示了一种可能的机制，通过这种机制，在没有领导者的情况下，大群体中的动物可以就从一种活动切换到另一种活动的时间做出平等主义的决定。特别是，我们表明存在一个矛盾的效果，噪声增强了着陆过程的连贯性。
2012-03-11 physics.bio-ph
Flocking of V-shaped and Echelon Northern Bald Ibises with Different Wingspans: Repositioning and Energy Saving
V形和梯形的队形有助于候鸟在迁徙时消耗更少的能量。作为案例研究，北秃朱鹭的编队飞行被认为是调查不同的影响，它们的飞行效率。翼尖间距和翼展的影响进行了研究的个别阻力的每一个朱鹭在羊群。在这项研究中考虑了两种情况，（1）增加和（2）减少翼展向尾巴。提出了一种替代机制和负载平衡算法。在该替换机制中，具有最高剩余能量值的Ibise被具有最低能量的Ibise迭代地替换。结果表明，根据不同大小的鸟类在鸟群中的位置，它们消耗不同水平的能量。此外，人们发现，小鸟也有机会在羊群中领先。
2020-05-16 physics.bio-ph q-bio.QM
Asymmetric exchange in flocks
由于鸟群的组成部分是两极的，人们期望它们的相互作用具有前后不对称性。我们在这里表明，由此产生的反对称的一只鸟和它的邻居之间的“交换耦合”的一部分，如果足够大，不稳定的鸟群通过自发转向。同样的不对称性也产生了一种自然的机制，即信息沿着羊群的平流速度与羊群本身的速度之间的差异。我们表明，缺乏细致平衡，而不仅仅是打破伽利略不变性，是负责这种差异。给出了存在转向不稳定性的参数和波数条件。最后，我们提出了一种替代的观点，基于流动的主动液晶与转动惯性与动量汇接触的对齐效果。
2016-05-14 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Information transfer enhanced by non-reciprocity in a model of turning flocks
Universidad Autonoma Metropolitana-Iztapalapa（墨西哥自治大学伊斯塔帕拉帕分校）
本文在鸟群模型中引入主动扭矩，通过非互易性增强信息传递速度和效率，并推导出带有耗散的非互易修改Korteweg-de Vries方程。
2026-04-26 physics.bio-ph
Social interactions dominate speed control in driving natural flocks toward criticality
鸟群表现出显著的协调性和集体反应。这不仅仅是因为平均而言，成千上万的个体以相同的速度朝同一方向飞行，而且即使是平均速度的波动也在长距离上相关。特别是对椋鸟群的定量测量表明，这些波动是无标度的，有效的相关长度与群的线性大小成正比。在这里，我们构建模型的联合分布的速度在羊群中，再现观察到的个人和他们的邻居之间的局部相关性，以及个体之间的飞行速度的方差，但在其他方面有尽可能少的结构。这些最小结构或最大熵模型为整个群体的相关性传播提供了定量的、无参数的预测，这些预测与数据非常吻合。这些模型在数学上等价于磁体有序化的统计物理模型，并且由于参数（完全由数据确定）处于临界状态，因此可以正确预测无标度相关性。从生物学的角度来说，临界性允许群体在有限的速度波动下实现长距离的最大相关性。
2013-07-21 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.PE
Hierarchical group dynamics in pigeon flocks
动物在群体中一起旅行时会表现出各种迷人的运动模式，这被认为是群体成员之间微妙的局部相互作用的结果。虽然最翔实的方式调查和解释集体运动现象将提供高分辨率的时空数据从移动的个人收集，这样的数据是稀缺的，实际上是不存在的长距离群体运动在自然环境中，因为相关的技术困难。在这里，我们提出的实验结果，其中跟踪日志的信鸽飞行在成群的10个人已获得高分辨率的轻量级GPS设备和分析使用各种关联函数的启发，在统计物理学中常见的方法。我们发现一个明确的层次结构群成员之间的数据有关的领导作用，在成对的相互作用，定义的基础上，鸟类的方向选择之间的特征延迟时间。鸽群中鸽子的平均空间位置与其在等级制度中的位置密切相关，鸟类对主要通过左眼感知的同类做出更快的反应--这两个结果都揭示了鸟类在群体中占据不同位置的不同角色。伴侣。从进化的角度来看，我们的研究结果表明，分层组织的群体飞行可能比平等主义者更有效，至少对于那些允许群体成员之间定期成对互动的群体规模，在此期间，领导者-追随者的关系始终表现出来。
2010-10-26 nlin.AO physics.bio-ph q-bio.OT
Robustness of flight leadership relations in pigeons
动物的集体运动产生了壮观的自然现象，这些现象源于群体成员之间简单的局部互动。信鸽（Columba livia）的群体为研究集体运动和决策提供了一个有用的模型。在归航飞行期间，鸟群成员被迫解决可能存在分歧的导航偏好，以便呆在一起并从群体飞行中受益。最近的研究表明，一些人始终比其他人更有助于羊群的运动决策，从而产生稳定的层次领导者/追随者网络。然而，鸽子的哪些属性能够可靠地预测领导力仍然是一个悬而未决的问题。我们研究了一个人的层次领导等级的灵活性（即其顺序位置时，羊群成员排名根据平均时间差，他们领导或跟随他人）作为其导航知识的变化的函数。我们操纵已经建立的等级网络在三个不同的羊群，通过提供额外的归巢经验的某些个人。我们发现，这种训练并不总是导致鸟类领导等级的增加，而且，一般来说，受过训练和未经训练的鸟类之间的领导者/追随者互动的性质仍然不受影响。因此，鸽子群中的领导阶层似乎对一部分成员的导航知识的变化有抵抗力，至少当这些变化相对较小时。我们讨论了我们的研究结果的影响，在决策网络的结构稳定性的潜在好处。
2016-10-25 physics.bio-ph q-bio.QM
Reciprocal relationships in collective flights of homing pigeons
鸟群的集体运动可以通过许多错误的假设和/或结构化的领导机制来解释。在鸽子中，先前的研究表明，有一个明确的等级结构，某些特定的个体占据了更多的主导地位-这表明少数个体的领导力推动了集体的行为。相反，通过分析相同的数据集，我们发现了一个更平等的机制。我们表明，互惠关系和分层的领导阶层是重要的和必要的鸽子群的集体运动。我们的实验结果表明，鸟类并不是采取排他性的平均策略或领导策略，而是妥协和领导力的综合结合，推动了群体的运动决策。
2011-12-02 physics.bio-ph physics.soc-ph
Low-temperature marginal ferromagnetism explains anomalous scale-free correlations in natural flocks
我们引入了一个新的铁磁模型，能够再现一个最有趣的性质的集体行为在椋鸟群，即强集体秩序的系统共存的微观自由度的模量的无标度相关性，这是鸟类的速度。新理论的核心思想是，将微观自由度的模量限制在有限值附近所需的单粒子势是边际的，即具有零曲率。我们利用平均场近似和三维蒙特卡罗模拟，辅以有限尺寸标度分析来研究该模型。而在标准临界温度$T_c$下，边缘模型的性质与连续破缺的正常铁磁体完全相同，我们的结果表明，出现了一个新的零温度临界点，使得边缘模型在其深度有序相中发展出发散的磁化率和微观自由度模的关联长度，与自然椋鸟群的实验数据完全相似。
2019-09-17 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.OT
Non-symmetric interactions trigger collective swings in globally ordered systems
自然界中的许多系统，从铁磁体到鸟群，都表现出大尺度的有序现象。在物理系统中，对于足够大的维度，秩序在统计上是稳健的，由于噪声的相对波动随着系统的大小而消失。然而，一些生物系统比它们的物理类似物更不稳定，并且在相对较短的时间尺度上自发地改变它们的全局状态。在本文中，我们表明，在这些系统中，有两个关键的成分，增强噪声的影响，导致集体的状态变化：个人之间的相互作用的非对称性，并在网络的拓扑结构中的局部异质性的存在。这些功能的后果可以是更大的系统尺寸越大，导致本地化的波动模式和弛豫时间，保持有限的热力学极限。这个系统不断地改变它的全局状态，不断地被自发波动从平衡中驱动出来。我们的研究结果解释了在几个生活和社会系统中观察到的情况，并与最近对鸟群和其他动物群体的实验数据一致。
2016-05-03 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Flocking and turning: a new model for self-organized collective motion
a Istituto Sistemi Complessi (ISC--CNR), Via dei Taurini 19, 00185 Roma, Italy b Dipartimento di Fisica, ``Sapienza'' Universit\'a di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185 Roma, Italy c Initiative for the Theoretical Sciences, The Graduate Center, 365 Fifth Avenue, New York, NY 10016 USA d Instituto de Investigaciones Fisicoqu \' micas Te \'o ricas y Aplicadas (INIFTA)；Departamento de F \' sica, Facultad de Ciencias Exactas, Universidad Nacional de La Plata, c.c. 16, suc. 4, 1900 La Plata, Argentina e CONICET La Plata, Consejo Nacional de Investigaciones Cient \' ficas y T \'e cnicas, Argentina f Laboratoire de Physique Statistique de l' \' E cole Normale Sup\'erieure, CNRS；h Laboratoire de Physique Th\'eorique de l'\'Ecole Normale Sup\'erieure, CNRS；University Paris VI, 24 rue Lhomond, 75231 Paris Cedex 05, France
本文提出新的动态方程，用于描述极化动物群体的集体运动，考虑了相关转向，仅通过社会力。该模型在适当极限下恢复Vicsek模型，但能描述更复杂的转向行为。
2015-01-21 cond-mat.stat-mech cs.RO cs.SY
Cyclic and Coherent States in Flocks with Topological Distance
研究了一组移动Agent的二维集体运动的一个简单模型。像鸟一样，这些代理人在开放的自由空间中旅行，其中每个代理人都与第一个$n$邻居进行交互，这些邻居由具有自由边界条件的拓扑距离确定。使用相同的处方中使用的Vicsek模型与标量噪声的相互作用，它已被观察到的羊群，在没有噪声的情况下，到达一些有趣的稳态。在“单汇状态”下，整个群体保持完美的凝聚力和连贯性。在“循环状态”中，每个代理执行匀速圆周运动，并且整个群执行脉动动态，即，在群的最小和最大尺寸之间周期性地膨胀和收缩。当相互作用区的刷新速率最快时，整个群被分割成不同大小的较小集群。在引入标量噪声时，当代理从弹道运动交叉到扩散运动时，观察到交叉。预期交叉时间取决于噪声$η$的强度，并且发散为$η\to 0$。在更简单的版本中，代理的平移自由度被抑制，但它们的角运动被保留。这里的代理是自旋，放置在一个正方形晶格的周期性边界条件的网站。每个自旋与它的$n$ = 2、3或4个最近邻相互作用。在静止状态下，当$n$ = 2和3时，整个自旋图案作为一个整体移动;但是当$n=4$时，当相互作用是各向同性时，它完全冻结。这些自旋构形具有涡-反涡对，其密度随噪声$η$的增加而增加，并遵循极好的有限尺寸标度分析。
2013-12-26 physics.bio-ph
An Entropic Model for Assessing Avian Flight Formations
为什么鸟类以明确的队形飞行？用热模型研究了飞行中鸟类的观测编队。鸟类编队飞行作为一个自组织过程进行了测试。最大熵产生率（MEPR）假设检查，以确定其适用性的大型鸟类长距离迁徙过程中观察到的V形成。首先简要讨论了熵产生率最大化或最小化的原理。V型编队与其他密切相关但明显不同的编队进行比较，这些编队也可以被羊群采用。热力学分析表明，V形编队（本文称为SV编队）是优化飞行持续时间能量利用的模式。这是通过由尾随的鸟节省地层的热能输出（热量）来实现的。的MEPR假设被发现持有的V形成。该结构还提供了最高的舒适温度，也许因此允许鸟类进入高海拔（低阻力）飞行水平。该模型的结果指出，热意识作为一个可能的关键驱动程序组织成V形。热模型似乎验证了鸟类编队飞行的所有主要实验观察。无论如何，没有详细的热测量来验证，并且没有方程（C4d）中使用的常数的物理基础，还不能确定该热模型对于鸟类飞行编队是有效的。分析似乎表明，组织成模式的活对象可能遵循MEPR原则的自组织的方式以前指出的化学和冶金过程。
2022-04-06 physics.bio-ph
A Theoretical Framework for the Formation of Large Animal Groups: Topological Coordination, Subgroup Merging, and Velocity Inheritance
Department of Computer Science and Technology, Capital University of Economics and Business（首都经济贸易大学计算机科学与技术学院）
本文提出一个理论框架，解释大型动物群体通过子群快速合并形成，强调拓扑结构中的主导SCC决定群体速度和方向，并预测群体速度低于原始子群的平均速度。
2025-11-29 math.DS nlin.AO physics.bio-ph
A Review on Fish Swimming and Bird/Insect Flight
这篇简短的评论专门介绍鱼类游泳和鸟类/昆虫飞行。(i)恒定宽度的细长柔性带状板的简单波动运动，浸没在静止的流体中，沿着板向远端传播波以向前游动，首先被认为提供了关于能量守恒的基本概念。它是广义的，包括身体的宽度和厚度的变化，旋涡脱落附加背鳍，腹鳍和尾鳍密切模拟鱼类游泳的非线性理论，提出了大幅度推进。(ii)在鸟类飞行方面，简要介绍了刚性振动机翼的开创性研究，提出了柔性机翼形状和轨迹任意变化时的非线性非定常理论，并与实验进行了比较。(iii)对于昆虫飞行，在空气动力学理论和建模、计算方法和实验方面，综述了产生前缘涡以产生非定常高升力的前飞和悬停飞行的最新进展。(iv)展望了利用鱼类和鸟类提取固有流能以获得推进力的前景。(v)将力学原理和生物学原理结合起来，统一研究了动物运动代谢动力的能量学，发现游动鱼类的流体动力粘性阻力主要与层流边界层有关，从而为Gray（1936，1968）提出的鱼-游悖论的解决提供了有力的证据。
2010-07-29 math-ph math.MP physics.bio-ph
