Физики узнали, как эффективно управлять коллективами

09:58, 18 января 2021

Ученые исследовали природу динамического хаоса в сложных системах

Исследование проводится под руководством профессора кафедры технической физики УрФУ Алексея Мелких. Фото: Илья Сафаров.

Исследовать природу динамического хаоса в сложных системах (другими словами, их непредсказуемое поведение) — такую задачу поставили перед собой физики Уральского федерального университета. Для этого в компьютерную модель (ее разработка — заслуга инженера кафедры технической физики УрФУ Руслана Берегова) они заложили двумерные и трехмерные координаты членов стаи, каждый из которых с постоянным модулем скорости стремится попасть в ее центр. О результатах моделирования ученые рассказали в статье в журнале Chaos, Solitons & Fractals.

«Члены стаи видят друг друга, но с задержкой. Это присуще всем живым организмам, а также системам, обрабатывающим информацию. Нам кажется, что мы распознаем друг друга моментально, однако на самом деле мозгу необходимо несколько миллисекунд, чтобы обработать световой сигнал. Глубоководные рыбы зачастую идентифицируют друг друга, реагируя на волны давления, это тоже происходит с определенной задержкой. Бактерии „узнают“ друг друга, испуская химические сигналы, таким образом, на „опознание“ уходит несколько секунд, а то и минут», — приводит примеры руководитель исследований, профессор кафедры технической физики УрФУ Алексей Мелких.

Кроме фактора задержки, в компьютерную модель они ввели и фактор ошибки в определении точных координат как членов стаи, так и ее центра (ошибки также свойственны и организмам, и приборам).

«И задержки, и ошибки необходимо учитывать при расчетах движения стаи. В результате наших опытов выяснилось, что задержки играют очень важную роль. Вследствие их влияния центр стаи, вокруг которого она вращается, не стоит на месте, а постоянно испытывает автоколебания. При этом от скорости движения особей и от величины (дисперсии) ошибки период автоколебаний зависит очень слабо», — поясняет ученый.

В целом выводы, сделанные Алексеем Мелких и Русланом Береговым по итогам эксперимента, оказались достаточно неожиданными. Так, выяснилось, что по мере движения стаи происходит нечто наподобие фазового перехода (наиболее известные примеры таких переходов — из газообразного состояния в жидкое, из жидкого — в твердое) — переключение одного хаотического режима на другой. Кроме того, ученые обнаружили, что существенные изменения системы, ее неожиданные свойства и поведение, описанные выше и проявляющиеся при некоторых ошибках (говоря по-другому — шумах), при еще больших шумах не усиливаются, а, наоборот, исчезают, что не укладывается в привычные представления и ждет своего объяснения.

«Исследование поведения больших коллективов — сформировавшаяся область науки, тем не менее еще полная необъяснимого. Мы сделали шаг к его разгадке. Наша работа приближает человечество к пониманию закономерностей движения таких коллективов и к эффективному управлению ими с помощью, к примеру, радио-, звуковых или световых сигналов. Это и колонии бактерий, и мириады насекомых, и косяки рыб, и стаи птиц, и стада домашних животных, а также эскадрильи беспилотных летательных аппаратов, осуществляющих поиск, разведку, съемку местности и так далее», — объясняет профессор Мелких.