Illuminance-tuned collective motion in fish
我们通过实验研究了照明对一所大型学校（约）集体动态的作用。50个个体）的Hemigrammus rhodostomus。使用两个序参量定义的组的结构被量化，同时通过环境光强度的控制周期逐步改变鱼的视觉范围。我们发现，在低光照水平下，组内的个人无法形成一个有凝聚力的群体，而在较高的照度下，学校的对齐程度与光照强度相关。当增加照度时，学校结构的特征依次是偏振状态，然后是高度规则和稳定的旋转配置（铣削）。我们的研究表明，视觉是必要的，以实现自由游动的鱼群凝聚集体运动，而短距离侧线感知是不够的，在这种情况下。因此，本实验提供了新的见解的相互作用机制，在生物系统中的集体运动的出现和强度。
2023-01-23 nlin.AO physics.bio-ph
Noise-Induced Collective Memory in Schooling Fish
本文通过数值模拟与分岔理论揭示鱼群模型中从旋转绕圈到极化游动的转变由含噪跨临界分岔驱动，证明集体记忆源于含噪分岔而非结构性双稳态，为鱼群集体相变提供基础性理解。
2025-07-21 cond-mat.stat-mech nlin.AO physics.bio-ph
The increased efficiency of fish swimming in a school
越来越多的证据表明，鱼类在鱼群中游泳时会获得能量效益。最新的迹象表明，这种好处是一个较低的尾巴（或鳍）拍在后面的一个学校和减少耗氧量在学校的鱼与孤独的。人们对这些优势是如何产生的知之甚少。目前的水动力学理论关注的是并排游动或菱形游动的鱼，它们在很大程度上忽略了粘性的影响以及尾流和个体之间的相互作用。然而，在现实中，水动力效应是复杂的，鱼在许多配置中游泳。由于这些流体动力学的影响是很难研究经验，我们调查他们在计算机模型中，将粘度和相互作用之间的唤醒和个人。我们比较游泳效率的12.6厘米的鲻鱼单独旅行，并在学校的四种不同的配置在几个个体间的距离。由此产生的雷诺数（基于鱼的长度）约为1150。我们表明，这些鱼总是更有效地游泳在学校比单独（除了在密集的方阵）。我们表明，这种效率可能会出现从几种唤醒和个人之间的相互作用。由于我们模拟中的个体甚至不打算利用尾流，因此效率的提高比以前想象的更容易获得。
2013-07-27 physics.bio-ph physics.flu-dyn q-bio.QM
Modeling the effect of hydrodynamic wakes in dynamical models of large-scale fish schools
本研究提出一种结合鱼体势流与涡旋尾流的水动力学鱼群模型，通过高保真模拟参数化，发现尾流涡旋在社交力弱时增强鱼群组织性。
2024-11-20 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Swarming, Schooling, Milling: Phase diagram of a data-driven fish school model
我们确定了从Gautrais等人（PLoS Comp.Biol.8，e1002678（2012））的数据导出的鱼群模型的基本相图，探索了其参数空间，该参数空间超出了在浅水箱中游泳的带条纹的flagtail（Kuhlia mugil）的组的实验确定的参数值。一个修改后的模型进行了研究，除了原来的，其中一个额外的正面偏好被引入到刺激/反应函数，占角加权的相互作用。我们的研究，主要限于中等规模的群体（在100人的顺序），不仅集中在过渡到学校诱导增加游泳速度，但也在学校可以表现出铣削动力学和相应的行为转变的条件下。我们表明存在一个过渡区域之间的铣削和学校，在学校表现出多稳定性和学校和铣削的个人参数相同的组合之间的不稳定性。我们还表明，铣削不会发生任意大的群体，主要是由于距离依赖的相互作用的模型和信息传播延迟的学校，这会导致冲突的反应，为大型团体。最后，我们讨论了我们的研究结果的生物学意义，特别是依赖于社会互动的行为转变，这是由Gautrais等人报告的实验条件下是自适应的。
2013-08-12 physics.bio-ph q-bio.QM
Optimal sensing for fish school identification
鱼群意味着游泳者对同伴的意识。在流动介导的环境中，除了视觉提示，鱼体上的压力和剪切传感器对于提供定量信息是至关重要的，该定量信息有助于量化与其他游泳者的接近度。在这里，我们研究传感器的分布在人工游泳者的表面上，以便它可以最佳地识别一组领先的游泳者。我们采用贝叶斯实验设计结合二维纳维-斯托克斯方程的多个自推进游泳。跟随器使用来自其自身表面压力和剪切应力的信息来跟踪学校。我们证明，最佳的传感器分布的追随者是定性类似的神经乳突鱼的分布。我们的研究结果表明，它是可能的，以准确地识别的质心，甚至领先的游泳运动员的人数使用表面只有信息。
2019-10-22 physics.bio-ph physics.comp-ph physics.flu-dyn
Random patterns in fish schooling enhance alertness: a hydrodynamic perspective
在动物群集和社会行为领域，最具争议的问题之一是一些动物物种形成的集体随机模式和混乱行为，特别是如果存在危险。这种行为对生存有利还是不利？在这里，我们报告的最显着的形式之一的动物群集和社会行为-鱼类集群-从流体动力学的角度来看。我们发现，一些鱼类没有偏好的方向，他们群集在一个随机模式的模式，尽管消耗的能量过剩。我们的分析，其中包括细长体之间的水动力计算，表明这种行为增强了水动力信息的传输，从而提高了学校的生存能力。这些发现支持了一个普遍的假设，即在一个非线性动力系统中，个体的无序和非平凡的集体行为对于优化信息传递是必不可少的-这种优化可能对生存至关重要。
2016-05-05 physics.bio-ph physics.flu-dyn q-bio.PE
Collective gradient sensing in fish schools
在整个动物王国中，动物经常从群体生活中受益。集体行为的模型表明，简单的局部相互作用足以产生自然界中发现的群体形态（群，羊群和磨坊）。然而，个体也与他们所生活的复杂嘈杂的环境相互作用。在这项工作中，我们的实验研究组的性能在导航噪声光梯度的两个不相关的淡水物种：黄金shiners（Notemigonus crysoleucas）和rummy鼻子四（Hemigrammus bleheri）。我们发现，由于他们天生的个人能力，感觉环境梯度，Tetras优于shiners。使用数值模拟，我们研究了群体绩效如何取决于社会和环境信息的相对权重。我们的研究结果强调了平衡社会和环境信息的重要性，以促进最佳的群体形态和性能。
2018-05-05 nlin.AO physics.bio-ph q-bio.QM
Behavioral transition of a fish school in a crowded environment
本文通过实验和随机模型研究斑马鱼群在周期性柱阵列中的行为转变，发现柱间距接近鱼的社会距离时鱼群从自然对齐突变为沿柱阵列自由轴随机取向，并揭示了高柱密度下翻滚率急剧增加的认知参数演变。
2024-02-05 physics.bio-ph
Subcritical escape waves in schooling fish
生命系统，如神经元网络和动物群体，通过相互作用单元的动力学来处理有关其环境的信息。这些可以在不同的宏观行为之间过渡。在这种转变（或临界点）附近，由于对扰动的最大敏感性和信息的快速传播，集体计算通常被认为是最优化的。然而，对于生物系统来说，最优性取决于环境背景，这使得灵活的、依赖于背景的采用到临界点的不同距离可能比其独特的属性更有益。在这里，研究鱼群在两个感知环境风险水平上的逃逸波，我们调查了a）是否以及如何调节临界点的距离以响应环境变化，b）如何将来自临界点的特殊属性的个体水平的益处与通过调节群体到临界点的距离所获得的益处进行比较。我们发现，所观察到的鱼群是亚临界的（对环境线索的反应和敏感性不是最大的），但随着感知风险的增加，它们与临界状态的距离减小。考虑到个人的假设成本的两种检测错误类型，我们发现，最佳的距离临界依赖于环境的风险和噪音，这可以解释观察到的行为。我们的研究结果强调了评估不同距离的生物学后果的好处，为动物群体内的个人的临界。这提供了对集体系统的适应功能的见解，并激发了未来关于使系统做出这种特定权衡的进化力量的问题。
2021-08-12 physics.bio-ph
Self-reorganization and Information Transfer in Massive Schools of Fish
本文通过多达5万个体的大规模鱼群计算模型，揭示流动相互作用导致鱼群动态分裂与重组，并发现分裂会降低集体响应能力，而合并可加速信息传递，表明流动相互作用在群体规模调节和行为适应中具有重要作用。
2025-06-03 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.flu-dyn
Spatial Confinement Affects the Heterogeneity and Interactions Between Shoaling Fish
本研究将群游鱼类视为生命材料，通过空间限制调控准二维鱼群，结合成像实验定量观测结构异质性等特征，并用蒙特卡洛模拟验证行为偏好转变，发现结构异质性与动态活性正相关。
2023-12-14 cond-mat.soft physics.bio-ph
Statistical Physics of Fish Collective Motion
Universitat Politècnica de Catalunya（加泰罗尼亚理工大学）；Universitat de Barcelona（巴塞罗那大学）
本文综述了统计物理学框架下鱼群集体运动的研究进展，揭示异质非互惠相互作用驱动转向级联与类临界波动共存，为活体集体信息处理提供模型。
2026-09-30 physics.bio-ph physics.soc-ph
Model of collective fish behavior with hydrodynamic interactions
鱼类集群往往是仿照自推进粒子受现象学的行为规则。虽然鱼类可以感知和利用水流特征，但这些模型通常忽略了水动力学。在这里，我们提出了一个新的模型，耦合行为规则与远场流体动力学相互作用。我们发现：（1）一个新的“集体转向”阶段出现;（2）平均而言，由于流体的存在，个体游得更快;（3）流体增强了行为噪音。该模型的结果表明，水动力效应应考虑到充分了解鱼类的集体动力学。
2018-05-03 physics.bio-ph
Phase Transitions and Criticality in the Collective Behavior of Animals -- Self-organization and biological function
动物群体所表现出的集体行为，如鱼群、鸟群或昆虫群，是生物学中自组织的迷人例子。统计物理学的概念和方法已经被用来从理论上论证这种生命系统中集体效应的潜在后果。特别地，已经提出，这样的集体系统应该在接近相变，特别是（伪）临界点处操作，以便优化它们的集体计算能力。在本章中，我们将首先回顾动物群体所表现出的相关相变，指出将统计物理学的概念应用于生物系统的困难。然后，我们将讨论“临界性假说”的研究现状，包括如何测量距离临界性和特定的功能后果的动物群体附近的相变的方法。我们将强调新兴的观点，即不强调恰好处于临界点的最优性，而是探索生命系统能够调整到与临界点的最佳距离的潜在好处。最后，我们将提出在物理学和生物学的界面上研究集体行为的未来挑战。
2022-11-07 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.PE
Effects of shady environments on fish collective behavior
尽管致力于理解潜在的复杂性和动物群体集体运动的出现，不同的外部环境对这种类型的运动的作用仍然在很大程度上未被探索。在这里，通过结合时间序列分析和复杂网络工具，我们提出了一个广泛的调查，背阴环境对鱼类（鲢鱼）的行为在土池内。我们发现，树荫下鼓励鱼类居住在白天，但对树荫的偏好程度有很大的不同试验和池塘。白鲢在白天和夜间的速度比在树荫下慢得多，并且表现出较低的速度持久性，其中鱼类在夜间表现出最高的持久性程度和速度。此外，我们的研究表明，阴影通过减少它们的极化，个体之间的相互作用的数量和当地邻居之间的稳定性来影响鱼类集群行为;然而，与夜间位置相比，在阴影下，鱼类保持更高的局部有序度。
2022-10-20 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.soc-ph
Discrete modes of social information processing predict individual behavior of fish in a group
动物群体集体行为背后的个体计算和社会互动在动物行为学、行为学和理论上都具有重要意义。虽然复杂的个人行为已经成功地被解析为刻板行为模式的小字典，但集体行为的研究在很大程度上忽略了这些发现;相反，他们的重点是推断单一的，独立于模式的社会互动规则，再现宏观的，往往是定性的群体行为特征。在这里，我们把这两种方法结合起来，预测个人的成年斑马鱼在一组游泳模式。我们发现，鱼交替的主动模式，他们是敏感的同种的游泳模式，和被动模式，他们忽略它们。使用明确说明这两种模式的模型，我们预测个体鱼的行为具有很高的准确性，优于以前的方法，假设一个单一的连续计算的个人和简单的度量或拓扑加权的邻居的行为。在组水平上，主动和被动模式之间的切换是不相关的鱼，但相关的定向游泳行为仍然出现。我们用于研究复杂的、多模式的个人行为以及新兴的群体行为的定量方法可以很容易地扩展到其他行为模式及其神经相关物，以及其他物种。
2017-03-08 physics.bio-ph q-bio.NC q-bio.PE
Disentangling and modeling interactions in fish with burst-and-coast swimming
我们结合广泛的数据分析的建模方法来测量，解开，并重建的实际功能形式的相互作用，参与协调的游泳在拉米-鼻四（Hemigrammus rhodostomus）。这种鱼执行突发和海岸游泳行为，包括突然的航向变化结合短暂的加速，其次是准被动，直线减速。我们量化的自发随机行为的鱼和相互作用，管理墙壁回避和吸引力和对齐到邻近的鱼，后者通过利用一般的对称性约束的相互作用。与以前的实验工作相比，我们发现，吸引力和对齐行为控制的反应，鱼的邻居。然后，我们利用这些结果，建立一个模型的自发爆发和海岸游泳和相互作用的鱼，所有参数估计或直接从实验中测量。该模型定量地再现了在实验中观察到的运动和空间分布的关键特征与一条鱼和两条鱼。这证明了我们的方法的力量，利用大量的数据来解开和充分表征动物群体中控制集体行为的相互作用。此外，我们引入了“哑”和“智能”的活性物质的概念，并强调和澄清它们之间的强烈差异。
2017-03-10 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Modeling collective behaviors from optic flow and retinal cues
本文提出基于光流等生物视觉线索的集体行为模型，无需全知邻居信息，成功再现集群、群游和环形运动，为人工群体视觉控制提供方案。
2024-03-18 physics.bio-ph
Impact of Variable Speed on Collective Movement of Animal Groups
已经提出了各种基于代理的模型来解释动物群体从简单的相互作用规则中出现的协调的集体行为。这种集体运动模型的一个常见的简化假设是考虑单个代理以恒定速度移动。在这项工作中，我们批判性地重新评估了这一假设的基础上，绝大多数集体运动模型。首先，我们展示了在不同种类的活鱼和人工代理（RoboFish）中观察到的无所不在的速度变化。基于惯性和旋转摩擦的理论考虑，我们推导出一个函数依赖于他们的瞬时速度（实验数据证实）的个人的转弯响应。我们研究如何变速和速度依赖转向的相互作用影响自组织的集体行为，通过实施一个基于代理的模型，占这两种效果。我们表明，除了平均速率，个人的速度变异性可能有一个显着的影响，紧急集体动态，作为两个群体的不同，只有在他们的速度变异性，并在其他方面相同的所有其他行为参数，可以在两个根本不同的静止状态。我们发现，在有序-无序转变时，群极化和个体速度之间的局域耦合最强。此外，我们证明了减少极化与群体规模的个人与可变的速度，并突然减少平均个人速度在一个关键的群体规模（N=4的Voronoi相互作用）链接到一个拓扑结构的转变，从所有到所有的分布式空间相互作用网络。总体而言，我们的工作突出了重要性，占基本的运动学约束一般，特别是变速，自组织集体动力学建模时。
2021-06-17 physics.bio-ph q-bio.PE
Asynchrony promotes polarized collective motion in attraction based models
动物群体经常以一种高度有组织的方式移动，如鸟群和鱼群。尽管这是每天都发生的事情，但我们还没有完全理解它是如何工作的。什么样的动物之间的社会相互作用引起了我们观察到的整体群体结构和行为？这个问题经常使用自推进粒子模型来研究，其中粒子代表个体动物。这些模型在所使用的社会互动、个体粒子特性和各种技术假设方面有所不同。一个特定的技术假设涉及所有粒子是否在完全相同的时间（同步更新）或不（异步更新）更新其航向和位置。在这里，我们研究了这个假设在一个特定模型中的因果效应，发现它有巨大的影响。特别地，极化组在使用同步更新时不会形成，但总是在异步更新时产生。我们还表明，充分的极化组的形成和量化的时间极化组的形成是不需要的。由于文献中的许多重要模型已经实现了同步更新，我们推测，我们对这些模型的理解，或者更确切地说，它们所基于的社会互动，可能是不完整的。如果选择其他可能更现实的更新方案，也许会出现一系列以前未观察到的动态现象。
2017-10-06 physics.bio-ph q-bio.QM
Habituation determines spatial position in Hyphessobrycon herbertaxelrodi shoals through altered rules of interaction
Universitat Politècnica de Catalunya（加泰罗尼亚理工大学）；Universitat de Barcelona（巴塞罗那大学）；University of Bristol（布里斯托大学）
本研究探究习惯化程度差异对鱼群空间位置的影响，发现未习惯化的鱼更易占据鱼群中心且协调性更强，还开发出可分类鱼亚群身份的机器学习工具，揭示了局部相互作用差异驱动群体空间分类的机制。
2026-09-14 physics.bio-ph physics.soc-ph
