群れをなす

群れ行動とは、鳥の集団（群れと呼ばれる）が採餌中や飛行中に示す行動のことである。羊やヤギも群れ行動を示す。鳥類や哺乳類の群れ行動は魚類の群れ行動に似ており、これらはしばしば一緒に研究される。

群れ行動は、動物の行動において、捕食者から身を隠したり保護したりする必要性から生じると一般的に考えられている。^{[ 1 ]}これは個体によって従われる局所的なルールによって支配される創発的な行動であり、中央の調整は関与しない。

魚の群れ行動、昆虫の群集行動、陸上動物の群れ行動と類似点が見られる。冬の間、ムクドリは数百羽から数千羽もの巨大な群れ（群飛）を形成することで知られており、一斉に飛び立つと、観察者の頭上の空に魅惑的な渦巻き模様を描き出す。

生物の群れ行動の研究を支援するために、さまざまなアルゴリズムが導入されてきた。これらのアルゴリズムは、コンピュータグラフィックスから物理学まで、さまざまな起源を持ち、それぞれが実際の現象に対して独自の視点を提供している。

鳥の群れ行動を模倣するために開発されたコンピュータシミュレーションや数理モデルは、一般的に他の種の「群れ行動」にも適用できます。その結果、コンピュータサイエンスでは、「群れ行動」という用語は、鳥以外の種にも適用されることがあり、自力で動く個体の集団による集団運動、つまり魚、細菌、 昆虫など多くの生物に見られる集団的な動物行動を意味します。^{[ 7 ]}

レイノルズのモデル

群れ行動は、1987年にクレイグ・レイノルズによってプログラムBoidsを用いてコンピュータ上でシミュレーションされました。^{[ 8 ]}このプログラムは、分離、整列、凝集という 3 つの基本ルールに従って移動する単純なエージェント (boid) をシミュレートします。その結果は、鳥の群れ、魚の群れ、昆虫の群れに似ており、映画の視覚効果のために開発されました。

ルール

レイノルズの群れ行動モデルは、3つの単純なルールによって制御されている。

分離

近隣の個体との密集を避ける（近距離反発）

アライメント

近隣の船の平均進行方向へ舵を切る

凝集

近隣の平均位置に向かう（長距離引力）

これら3つのシンプルなルールによって、群れは非常にリアルな動きを見せ、そうでなければ極めて実現が難しい複雑な動きと相互作用を生み出す。

ルールのバリエーション

レイノルズが提唱して以来、基本モデルはさまざまな方法で拡張されてきた。例えば、C. Delgado-Mata ら^{[ 9 ]}は、2007 年に基本モデルを拡張し、恐怖の影響を組み込んだ。嗅覚は、自由膨張ガス中の粒子としてモデル化されたフェロモンを介して、動物間で感情を伝達するために使用された。

クリストファー・ハートマンとベドリッチ・ベネス^{[ 10 ]}は2006年に、リーダーシップの変化と呼ばれる、アライメントを補完する力を導入した。この力は、鳥がリーダーになって逃げようとする可能性を定義する。

群れ行動シミュレーションでは、中央制御は存在せず、それぞれの鳥が自律的に行​​動します。つまり、それぞれの鳥は、どの群れを自分の環境とみなすかを自分で決定しなければなりません。

群れ行動アルゴリズムの基本的な実装には複雑さがある${\displaystyle O(n^{2})}$– 各鳥は潜在的に他のすべての鳥と相互作用し、反応する可能性があります。複雑さを制限するために、鳥は2Dまたは3D空間で限られた数の近隣とのみ相互作用すると想定されています。これは、2008年にBalleriniら^{[ 14 ]}によって経験的に証明され、ムクドリは通常、最大で7つのトポロジー上の近隣と相互作用することが示されました。

改善点：

• 空間分割。^{[ 15 ]}群れの全体領域/体積は均等に分割されます。各ビンには、どの鳥が入っているかが記録されます。鳥が1つのビンから別のビンに移動するたびに、ビンの内容が更新されます。
  • 複雑：${\displaystyle O(nk)}$、kは考慮する周囲のビンの数です。

Lee Spector、Jon Klein、Chris Perry、Mark Feinsteinは、進化計算システムにおける集団行動の出現を研究した。^{[ 16 ]}

ベルナール・シャゼルは、各鳥が一定の半径内の他の鳥に合わせて速度と位置を調整するという仮定の下では、定常状態に収束するのにかかる時間は、鳥の数の対数の高さの反復指数関数であることを証明しました。これは、鳥の数が十分に大きい場合、収束時間が非常に長くなり、事実上無限になる可能性があることを意味します。^{[ 17 ]}この結果は、定常状態への収束にのみ適用されます。たとえば、群れの端で空中に放たれた矢は、鳥の中央神経系（鳥から鳥へ）の時間遅延によって遅くなる隣人との相互作用では説明できないほど速く群れ全体に反応を引き起こします。

人間における群れのような行動は、人々が共通の焦点に引き寄せられる場合や、反発を感じる場合に起こることがある。例えば、銃声から逃げる群衆などが挙げられる。

ドイツのケルンで、リーズ大学の生物学者2人が、人間に群れのような行動が見られることを実証した。被験者のグループは、群れと非常によく似た行動パターンを示し、群れの5%が方向を変えると、他の5%もそれに続いた。1人が捕食者として指定され、他の全員がその人物を避けるように指示されると、群れは魚の群れと非常によく似た行動をとった。^{[ 18 ]}

群れ行動は、無人航空機（UAV）の挙動を制御する手段としても検討されてきた。^{[ 19 ]}

群れの動きはスクリーンセーバーでよく使われる技術で、アニメーションにも応用されています。群れの動きは多くの映画^{[ 20 ]}で、よりリアルに動く群衆を生成するために使われてきました。 ティム・バートンの『バットマン リターンズ』（1992年）では、群れをなすコウモリが登場しました。

群れ行動は、他の興味深いアプリケーションにも使用されています。インターネットマルチチャンネルラジオ局の自動プログラミングに適用されています。^{[ 21 ]また、情報の視覚化[ 22 ]や最適化タスク[ 23 ]}に も使用されています 。

• 群衆
• ペロトン（ロードバイクレース）

• Bouffanais, Roland (2016). Design and Control of Swarm Dynamics . SpringerBriefs in Complexity. Springer Singapore. doi : 10.1007/978-981-287-751-2 . ISBN 978-981-287-750-5。
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• Shen, Jackie (Jianhong) (2008). "階層的リーダーシップ下におけるCucker–Smaleの群れ行動" . SIAM J. Appl. Math . 68 (3): 694– 719. arXiv : q-bio/0610048 . doi : 10.1137/060673254 . S2CID 14655317 . 2008年6月9日取得. 
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• クレイグ・レイノルズのBoidsページ
• イズトク・レバー・バジェックによるファジー論理に基づく群れ行動に関する論文集
• ムクドリの大群（BBCの動画）
• ドローンがノーフォークのムクドリの大群を捉える（BBC動画）