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
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
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
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
Scale-free behavioral cascades and effective leadership in schooling fish
行为传染和行为级联的存在是集体运动的动物群体的自然特征，如鱼群或食草动物。在这里，我们研究经验的行为级联观察到的鱼群定义为雪崩的连续大的变化，鱼的轨迹的航向方向。就定义大变化的最小转向角度而言，雪崩的特征是大小和持续时间的分布显示无标度特征，让人想起自组织的临界行为。我们观察到，雪崩一般是由少数鱼，这是有效的领导人，诱导大的重组组的轨迹。这一观察激发了一个简单的模型的建议，在经典的Vicsek集体运动模型的基础上，其中一个给定的个人作为一个领导者受到随机航向重定向。该模型在定性上再现了在真实学校中观察到的经验雪崩行为，并暗示了有效领导与集体运动中雪崩行为之间的联系。
2022-10-13 cond-mat.stat-mech nlin.AO physics.bio-ph
Signatures of criticality in turning avalanches of schooling fish
该研究分析自由游动鱼群的转向雪崩，通过幂律、数据塌缩和标度关系揭示无标度临界性，并将其关联集体转向决策、边界效应及类似余震的时空聚集规律。
2024-09-11 physics.bio-ph physics.soc-ph
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
How swimming style affects schooling of two fish-like wavy hydrofoils
鱼类游动方式和集群行为是水下运动的两个重要方面。游泳风格如何影响鱼群集群的一个代表性的问题设置包括两个系留NACA 0012水翼波动的自由流在不同的波长$ λ^* = 0.8 - 8 $，前后距离$ D = 0,\ 0.25,\ 0.5,\ 0.75 $，相位差$ ϕ/π= 0,\ 0.5,\ 1,\ 1.5 $，和横向间隙距离$ G = 0.25,\ 0.3,\ 0.35 $与固定的雷诺数$ Re = 5000 $，Strouhal数$ St = 0.4 $，和最大振幅$ A_{max} = 0.1 $。基于浸入边界法，利用开源软件IBAMR对336个案例进行了模拟。波长的增加通常会导致更高的推力和侧向力，这与之前关于单个游泳者的研究一致。在中间波长$ λ^* = 2 $下，对于单个或两个箔作为一组，获得最高的弗劳德效率。在并排布置$ D = 0 $时，作用在两个翼片上的推力可以是相等的，这表明形成稳定。在交错排列的$ D > 0 $中，跟随者可以通过调节相位差来显著地利用领先者的运动性能。追随者的利益随着相对距离的增加而减少。波长和相对距离的各种组合可以导致不同的流动结构，表明可调隐身能力的学校游泳。
2022-12-21 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Testing a thermodynamic approach to collective animal behavior in laboratory fish schools
在自然界中，群居动物群体表现出的集体行为经常被观察到。理解和预测复杂生物系统的行为依赖于开发有效的描述和模型。虽然集体动物系统的特点是非平衡的，我们可以采用平衡统计力学的概念，以激励实验室动物聚集体的物质性质的测量。在这里，我们提出了一套新的实验，利用高速镜头的二维学校的事件，粒子跟踪，并预计静态和动态光场观察和控制的行为的负趋光性鱼群（$\textit{Hemigrammus}$ $\textit{bleheri}$）的结果。首先，我们使用由黑暗的圆形区域组成的静态光场来产生视觉刺激，将学校限制在一定范围内。我们发现，学校有一个最大的密度独立于组的大小，和游泳压力线性增加与数密度，这表明未受干扰的学校存在的等温线。接下来，我们使用动态光场，其中暗区域的半径随时间线性收缩以压缩学校。我们发现，有效温度参数依赖于压缩时间，我们的结果是一致的学校有一个恒定的热通量。这些发现为有效的热力学描述在动物集体行为中的非平衡系统描述的实用性提供了进一步的证据。
2020-06-09 cond-mat.soft nlin.AO physics.bio-ph
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
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
Fish evacuate smoothly respecting a social bubble
本研究探索霓虹灯鱼通过狭窄通道的疏散行为，发现鱼群因尊重社交距离而不发生堵塞，其行为类似可变形的二维气泡，表明遵循社交规则可实现无堵塞疏散。
2023-07-28 physics.bio-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
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
Quantifying the interplay between environmental and social effects on aggregated-fish dynamics
演示和量化的社会相互作用和外部刺激支配鱼类动态的各自作用是理解鱼类空间分布的关键。如果开创性的研究，有助于我们了解鱼类的空间组织在学校，很少有实验信息可在鱼类在其自然环境中，聚集往往发生在空间异质性的存在。在这里，我们采用了新的建模方法，再加上准确的声学跟踪研究一组群居鱼类在异质环境中的动态。为此目的，我们声学跟踪亚米级分辨率的位置，12个小的中上层鱼类（Selar crumenophthalmus）的存在下，锚定的漂浮物，构成一个点的吸引力几种鱼类。我们构建了一个基于场的聚合鱼动态模型，从实验中获得有效的社会和外部刺激的相互作用。我们调整了最适合实验数据的模型参数，并量化了聚集中社会互动的重要性，为漂浮物周围的鱼类聚集的空间结构提供了解释。我们的研究结果可以推广到其他群居物种和上下文，只要有可能观察到的一个子集的个人的精细规模的运动。
2011-11-22 physics.bio-ph physics.data-an q-bio.QM
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
Vortex phase matching of a self-propelled model of fish with autonomous fin motion
本文提出一种带中枢模式发生器和主动拍动板的自推进鱼模型，揭示了鱼对通过涡旋介导的流体动力学相互作用自发调整距离与尾拍相位差以降低能耗的机制。
2023-12-02 nlin.AO physics.bio-ph physics.flu-dyn
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
