Short-range interaction vs long-range correlation in bird flocks
鸟群是集体运动的典型例子。关于群体的一个突出的实验特征是个体之间存在长距离的速度相关性，这使得它们能够在大规模上相互影响，保持高水平的群体协调。一个至关重要的问题是要了解鸟类之间的相互作用是什么产生了如此重要的相关性。在这里，我们使用最大熵（ME）的方法来推断从实验数据的自然羊群之间的有效相互作用的鸟类。与以前的研究相比，我们向前迈出了重要的一步，因为我们检索了相互作用对距离的全部功能依赖性，并发现它在几个人的范围内呈指数衰减。ME给出了一个短程相互作用的事实，即使它的实验输入是长程关联函数，表明该方法能够区分编码在这种相关性的相关信息，并挑选出最小数量的有效参数。最后，我们展示了如何使用该方法来捕获相互作用的各向异性程度。
2015-03-13 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.PE
Local equilibrium in bird flocks
群体的相关运动是局部相互作用产生的全局秩序的一个实例。与类似的铁磁系统的一个本质区别是，羊群是活跃的：动物相对于彼此移动，动态地重新排列它们的相互作用网络。这种失衡元素的影响在理论上得到了很好的研究，但它对实际生物群体的影响值得更多的实验关注。在这里，我们介绍了一种新的动态推理技术，基于最大熵的原则，它accodomates网络重排，并克服了缓慢的实验采样率的问题。我们使用这种方法来推断的强度和范围的对齐力从数据的椋鸟群。我们发现，当地的鸟类对齐发生在一个更快的时间尺度比邻居重排。因此，均衡推理，假设一个固定的相互作用网络，给出的结果与动态推理一致。我们的结论是，鸟的取向是在一个地方的准平衡状态的相互作用的长度尺度，在某些活跃的系统中的统计物理的适用性提供坚实的基础。
2016-06-27 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.PE
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
Emergence of collective changes in travel direction of starling flocks from individual birds fluctuations
移动的动物群体最令人印象深刻的特征之一是它们能够在行进方向上进行突然的连贯变化。虽然这种集体决定可能是对外部扰动的反应，例如捕食者的存在，但最近的研究表明，这种方向转换也可能来自个体行为的内在波动。然而，这种集体方向变化发生的原因和机制尚未完全了解。在这里，我们提出了一个实验研究的自发集体转向自然群的椋鸟。我们采用了最近开发的跟踪算法来重建的三维轨迹的每一个单独的鸟群在整个持续时间的转折事件。我们的方法使我们能够分析每个群体成员的个人行为变化，并揭示转向的紧急动态。我们发现，自发转向开始从个人位于细长的边缘的羊群，然后通过组传播。我们发现，鸟类的边缘偏离运动的平均方向比其他个人更频繁，这表明持续的局部波动是触发集体方向变化的关键因素。最后，我们定量地表明，鸟类遵循相等的半径路径，在转弯过程中，允许羊群改变方向，并重新分配组成员之间的危险位置。整个转向过程是一个显著的例子，说明自组织系统如何在保持一致性的同时维持集体变化和重组。
2014-10-14 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.PE
Comment on "Velocity and Speed Correlations in Hamiltonian Flocks" by M. Casiulis et al. [arXiv:1911.06042]
在arXiv：1911.06042v1 M. Casiulis等人研究了一个哈密顿模型，在该模型中，运动的团簇的刚性旋转引起速度和速度的无标度相关。M. Casiulis等人将他们模型中的相关性与在真实鸟群中观察到的相关性进行了比较，并声称刚体旋转提供了一种与先前提出的鸟群相关性解释相反的解释，即速度方向的Goldstone模式和速度的边缘（或近临界）模式。在这里，我们表明，刚性旋转的情况下是完全不一致的一个大的机构，建立了实验证据的真实鸟群，因此，它没有提供一个适当的解释所观察到的现象。
2019-12-15 cond-mat.stat-mech 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
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
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
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
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
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
Flocking at the edge of chaos
最近的调查提供了重要的洞察复杂的结构和动态集体移动成群的生物体。两个有趣的观察，无标度的相关性的速度波动，在存在的高度的秩序，和拓扑距离介导的相互作用。理解这些特征，特别是波动的起源，在目前的模式中似乎是具有挑战性的。有人认为，鸡群处于临界状态。我们提出了一个自推进的粒子模型，通过基于拓扑的规则定义的邻域和力量。力的波动是自发发生的，并且在没有噪声和存在速度对齐的情况下产生无标度关联。我们通过功率谱密度和李雅普诺夫谱来描述模型的行为。我们的研究表明，自组织临界性作为一个可能的途径存在的临界性在羊群。
2015-04-08 cond-mat.stat-mech 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
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
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
