Команда ученых из Сколтеха – аспирант Егор Нужин, доцент Максим Панов и профессор Николай Бриллиантов – использовала методы искусственного интеллекта для объяснения загадочного поведения, характерного для ряда животных – кругового движения. Статья о проведенном исследовании была опубликована в журнале Science Reports.
Известно, что круговращение наблюдается у больших групп животных на разных этапах эволюции, от насекомых и червей до рыб: они согласованно движутся вокруг центра группы. Биологическая функция такого причудливого поведения до сих пор ставила в тупик эволюционных биологов и теоретиков систем.
Стандартный подход к объяснению кругового движения предполагает наличие неких искусственных сил, возникающих между животными и влияющих на их коллективное движение.
Сообщается, что в текущем исследовании модель ученых отталкивается от цели и формулируется в терминах обучения с подкреплением, инструмента из области искусственного интеллекта.
Опираясь на простые правила и естественные ограничения, животные, смоделированные исследователями, учились коллективному движению методом проб и ошибок. Удивительно, но навязанные им требования держаться в заданных пределах от центра группы и от своих соседей привели к спонтанному круговому движению.
Еще более неожиданно, как отмечается, круговое движение оказалось очень полезным для выживания: по расчетам исследователей, группа, обученная такому поведению, в сотни раз более устойчива к пагубным возмущениям окружающей среды – в природе это могут быть, например, ветер или подводные течения.
Кроме того, выяснилось, что, если животные перемещаются вместе, оптимально располагаясь друг относительно друга, они тем самым минимизируют затраты энергии.
Исследователями был применен тот же целевой подход, основанный на обучении с подкреплением, и подтверждено, что в результате животные находят оптимальную конфигурацию движения для сохранения энергии: двое выстраиваются в линию, трое образуют треугольник, а четверо – ромб.
Эти и другие порой неожиданные конструкции, причем в более многочисленной группе, были независимо обнаружены альтернативным методом. Хотя в природе существуют и другие факторы, определяющие структуру роя, такие как защита от хищников, положение лидера и так далее, полученные результаты наглядно демонстрируют широкую применимость метода и его надежность.
Как говорит профессор Бриллиантов, “я понимаю, что все строится из простых “математических кирпичиков”, но не перестаю удивляться возможностям методов искусственного интеллекта!”.
