Informa(on transfer in moving animal groups: the case of - PowerPoint PPT Presentation

Informa(on ¡transfer ¡in ¡moving ¡animal ¡groups: ¡ ¡ the ¡case ¡of ¡turning ¡flocks ¡of ¡starlings ¡ Asja ¡Jelić ¡ Ins9tute ¡for ¡Complex ¡Systems, ¡CNR-­‑ISC ¡ ¡and ¡ Department ¡of ¡Physics, ¡University ¡of ¡Rome ¡1 ¡ La ¡Sapienza, ¡Italy ¡ Cargèse, ¡30 ¡August ¡2014 ¡

Flocks ¡of ¡starlings ¡ ¡vs ¡ ¡Physics ¡ e.g.Vicsek ¡et ¡al. ¡ Typical flocking model: � 1995 ¡   i ( t + 1) =   ∑ v v i ( t ) + J v k ( t ) + ξ i k ∈ i d   ⋅   Heisenberg ∑ dt = − ∂ H v H = − J v i ( t ) v j ( t ) i ∂  ferromagnet � + ξ Langevin equation: � i v < ij > i

Flocks ¡of ¡starlings ¡ ¡vs ¡ ¡Physics ¡ e.g.Vicsek ¡et ¡al. ¡ Typical flocking model: � 1995 ¡   i ( t + 1) =   ∑ v v i ( t ) + J v k ( t ) + ξ i k ∈ i d   ⋅   Heisenberg ∑ dt = − ∂ H v H = − J v i ( t ) v j ( t ) i ∂  ferromagnet � + ξ Langevin equation: � i v < ij > i E MPIRICAL RESULTS � ² Topological ¡interac9on ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡B ALLERINI ¡ ET ¡ AL ., ¡PNAS ¡ 105 ¡1232 ¡(2008) ¡ O ¡ ¡S TATIC ¡ PROPERTIES : ¡ ¡ ² Scale-­‑free ¡velocity ¡correla9ons ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ C AVAGNA ¡ ET ¡ AL ., ¡PNAS ¡ 107 ¡11865 ¡(2010) ¡ ² Maximum ¡entropy ¡model ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡B IALEK ¡ ET ¡ AL ., ¡PNAS ¡ 109 ¡4786 ¡(2012) ¡

Flocks ¡of ¡starlings ¡ ¡vs ¡ ¡Physics ¡ e.g.Vicsek ¡et ¡al. ¡ Typical flocking model: � 1995 ¡   i ( t + 1) =   ∑ v v i ( t ) + J v k ( t ) + ξ i k ∈ i d   ⋅   Heisenberg ∑ dt = − ∂ H v H = − J v i ( t ) v j ( t ) i ∂  ferromagnet � + ξ Langevin equation: � i v < ij > i E MPIRICAL RESULTS � ² Topological ¡interac9on ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡B ALLERINI ¡ ET ¡ AL ., ¡PNAS ¡ 105 ¡1232 ¡(2008) ¡ O ¡ ¡S TATIC ¡ PROPERTIES : ¡ ¡ ² Scale-­‑free ¡velocity ¡correla9ons ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ C AVAGNA ¡ ET ¡ AL ., ¡PNAS ¡ 107 ¡11865 ¡(2010) ¡ ² Maximum ¡entropy ¡model ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡B IALEK ¡ ET ¡ AL ., ¡PNAS ¡ 109 ¡4786 ¡(2012) ¡ O D YNAMICS ¡? ¡ Synchronized ¡and ¡rapid ¡change ¡of ¡direc9on ¡of ¡the ¡whole ¡group ¡ ¡– ¡collec9ve ¡decision ¡making ¡? �

Ques9ons ¡about ¡collec9ve ¡turns ¡ o Is ¡the ¡turn ¡instantaneous ¡for ¡all ¡birds ¡in ¡the ¡flock? ¡ ² who ¡starts ¡the ¡turn ¡first, ¡who ¡second…? ¡ ¡ o Where ¡does ¡the ¡the ¡turning ¡decision ¡start? ¡ ¡ ¡ ² spa9ally ¡localized ¡or ¡extended ¡origin? ¡ ¡ o How ¡does ¡the ¡informa9on ¡spread ¡across ¡the ¡flock? ¡ ² what ¡kind ¡of ¡propaga9on ¡(dispersion) ¡law? ¡

Experiments ¡in ¡Rome ¡ o ¡ ¡Turning ¡flocks ¡of ¡starlings ¡above ¡a ¡roos9ng ¡place ¡in ¡Rome ¡ GOAL: ¡ ¡ o ¡ ¡3D ¡trajectories ¡of ¡individual ¡birds ¡for ¡the ¡en9re ¡dura9on ¡of ¡a ¡turning ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡event ¡(>5s) ¡ roosting trees � ROME Termini railway station �

Experimental ¡setup ¡ • ¡IDT-­‑Red ¡Lake ¡M5 ¡ • ¡4 ¡Megapixel ¡ trifocal ¡ • ¡monochroma9c ¡ ¡ system ¡ • ¡170 ¡fps ¡ • ¡Schneider ¡lenses ¡ 25m �

Tracking ¡

Tracking ¡problems ¡-­‑ ¡blobs ¡ right camera � left camera �

And ¡finally… ¡ ¡ ¡ ¡individual ¡3D ¡trajectories ¡ o ¡ ¡12 ¡turning ¡flocks ¡of ¡ ¡50 ¡to ¡600 ¡starlings ¡above ¡a ¡roos9ng ¡place ¡in ¡Rome ¡ ¡ o ¡ ¡3D ¡trajectories ¡of ¡individual ¡birds ¡for ¡the ¡en9re ¡dura9on ¡of ¡a ¡turning ¡event ¡(>5s) ¡ A TTANASI ¡ ET ¡ AL . ¡ ¡ ¡ AR X IV :1305.1495 ¡ flock_20110208_ACQ3_N176 �

Mutual ¡9me ¡delays ¡ bird ¡i ¡turns ¡before ¡bird ¡j ¡ find ¡the ¡delay ¡ τ ij ¡that ¡maximizes ¡the ¡overlap ¡between ¡the ¡two ¡accelera9ons ¡

Birds ¡ranking ¡ rank ¡ turning ¡9me ¡delay ¡ 1 ¡ 0 ¡ms ¡– ¡first ¡bird ¡to ¡turn ¡ 2 ¡ 35 ¡ms ¡ Rank ¡birds ¡according ¡to ¡their ¡ 3 ¡ 44 ¡ms ¡ mutual ¡delays ¡ τ ij ¡ 4 ¡ 50 ¡ms ¡ 5 ¡ 52 ¡ms ¡ 6 ¡ 54 ¡ms ¡ 7 ¡ 63 ¡ms ¡ 8 ¡ 64 ¡ms ¡ 9 ¡ 68 ¡ms ¡ ... ¡ ... ¡ flock_20110208_ACQ3_N176 �

Ranking ¡curve ¡

Ranking ¡curve ¡

Where ¡the ¡turn ¡starts? ¡ `nucleus’ ¡= ¡first ¡5 ¡birds ¡in ¡the ¡rank ¡ d ¡ rank ¡ ¡delay ¡ flock � 1 ¡ 0 ¡ms ¡ 2 ¡ 35ms ¡ ¡ 3 ¡ 44 ¡ms ¡ first birds � ¡ 4 ¡ 50 ¡ms ¡ ¡ L ¡ 5 ¡ 52 ¡ms ¡ ¡ 6 ¡ 54 ¡ms ¡ ¡ size of the nucleus d � 7 ¡ 63 ¡ms ¡ o ¡ ¡ ¡the ¡turn ¡starts ¡on ¡the ¡side, ¡not ¡at ¡the ¡front ¡ ¡ o ¡ ¡ ¡spa9al ¡size ¡of ¡the ¡nucleus ¡d ¡does ¡not ¡scale ¡with ¡L ¡ 8 ¡ 64 ¡ms ¡ ¡ 9 ¡ 68 ¡ms ¡ ¡ 10 ¡ 70 ¡ms ¡ 11 ¡ 71 ¡ms ¡ ... ¡ ... ¡ size of the flock L �

the ¡turn ¡starts ¡localized ¡and ¡then ¡it ¡ flock_20110208_ACQ3_N176 � propagates ¡across ¡the ¡flock ¡

Ranking ¡and ¡propaga9on ¡in ¡space ¡ if ¡the ¡turn ¡starts ¡localized ¡then: ¡ rank ¡ ¡ ¡ ¡ = ¡ ¡ ¡(density ¡ρ ¡) ¡ x ¡(distance ¡traveled ¡by ¡the ¡turn ¡x) ¡ 3 ¡ rank ¡ ¡delay ¡ 1 ¡ 0 ¡ms ¡ 2 ¡ 35ms ¡ ¡ 3 ¡ 44 ¡ms ¡ ¡ rank: ¡1 ¡ 4 ¡ 50 ¡ms ¡ x ¡ rank: ¡2-­‑8 ¡ 5 ¡ 52 ¡ms ¡ ¡ rank: ¡9-­‑38 ¡ 6 ¡ 54 ¡ms ¡ ¡ 7 ¡ 63 ¡ms ¡ ¡ 8 ¡ 64 ¡ms ¡ ¡ 9 ¡ 68 ¡ms ¡ 1/3 ! $ x ( t ) = rank ( t ) ¡ # & 10 ¡ 70 ¡ms ¡ ρ " % 11 ¡ 71 ¡ms ¡ ... ¡ ... ¡

Linear ¡propaga9on ¡(dispersion ¡law) ¡of ¡the ¡turn ¡ finite ¡size ¡– ¡boundary ¡effects ¡ x x = c s t speed ¡of ¡propaga9on ¡of ¡the ¡ turn ¡across ¡the ¡flock ¡ c s t

Very ¡weak ¡arenua9on ¡– ¡no ¡damping ¡

Flock-­‑to-­‑flock ¡variability ¡of ¡ c s � x = c s t What ¡does ¡ c s ¡depend ¡on? ¡

Flock-­‑to-­‑flock ¡variability ¡of ¡ c s � x = c s t What ¡does ¡ c s ¡depend ¡on? ¡ Density ¡? ¡ c s ¡ nearest ¡neighbours ¡distance ¡

Experimental ¡results ¡to ¡be ¡explained ¡ o ¡Linear ¡(sound-­‑like) ¡propaga9on ¡of ¡the ¡turn ¡ These ¡are ¡orienta:on ¡waves, ¡not ¡density ¡waves ¡ o ¡ ¡Very ¡weak ¡arenua9on ¡of ¡the ¡turning ¡signal ¡– ¡no ¡damping ¡ o ¡ ¡Variability ¡of ¡the ¡speed ¡of ¡propaga9on ¡c S ¡ ¡ ¡ ¡ (20-­‑40 ¡ms -­‑1 ) ¡ Not ¡explained ¡by ¡the ¡difference ¡in ¡density ¡of ¡the ¡flocks, ¡i.e. ¡ not ¡a ¡standard ¡sound ¡wave ¡ Typical ¡velocity ¡of ¡a ¡bird/flock ¡is ¡ ¡ 10 ¡ms -­‑1 ¡