发布日期：2025年3月11日 / 更新日期：2025年3月11日 – 作者：Konrad Wolfenstein
利用虚拟现实技术进行群体智能和群体研究：德国科学家分析蝗虫群——图片来源：Xpert.Digital
VR研究揭示蝗虫群的新结构
蝗虫研究取得突破：长期以来的理论被推翻
自圣经时代起，沙漠蝗虫就以其可怕的名声而闻名。这种昆虫的蝗群数量可达五千万只，它们能够吞噬整个地区，造成巨大破坏，从而危及粮食安全。如今，康斯坦茨大学和马克斯·普朗克动物行为研究所的研究人员对蝗群的组织方式有了突破性的发现，推翻了长期以来人们的认知。科学家们利用创新的虚拟现实技术，证明蝗群的组织方式与之前的假设截然不同。这项发表在著名期刊《科学》上的研究颠覆了现有的解释模型，并为更好地预测和控制蝗灾提供了重要的见解。
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蝗灾现象及其全球意义
沙漠蝗虫（学名：Schistocerca gregaria）是动物王国中最令人印象深刻的群体行为范例之一。这些不会飞的幼虫，被称为若虫，最初是单独生活的。然而，在特定条件下，它们会聚集形成庞大的蝗群并开始迁徙——并非漫无目的地游荡，而是像受到中央控制一样，进行着协调一致的运动。这些庞大的蝗群数量可达五千万只，使其成为地球上最大的动物群体之一。
蝗灾的影响是毁灭性的。研究人员估计，全球约十分之一的人口的生计受到威胁。一个具体的例子是2019年至2020年非洲之角的大规模蝗灾，这场蝗灾摧毁了农业生产并引发了饥荒。因此，对蝗灾形成和迁徙机制的科学研究不仅具有理论意义，而且对全球粮食安全具有重要的实际意义。
先前的理论：蝗虫是“自驱动粒子”
几十年来，蝗虫群的集体行为一直用理论物理学中的一个概念来解释。在这个模型中，蝗虫被视为“自驱动粒子”，它们会根据邻近个体的位置和运动方向进行调整。该理论假设，个体只需与邻近个体保持一致，就能在整个蝗群中产生协调一致的运动。
先前解释的另一个关键要素是假设动物密度是群体运动从无序向有序转变的关键因素。根据这一假设，一旦足够多的动物聚集在有限空间内，协调运动的转变就开始了。这一理论似乎很有说服力，以至于几十年来它一直是解释动物界集体运动的标准模型。
有趣的是，此前由伊恩·库津（Iain Couzin）领导的研究（他也参与了这项研究）已经对蝗虫的集群行为有了其他令人惊讶的发现。他的团队发现，同类相食可能是蝗虫迁徙的一个驱动因素——蝗虫向前移动是为了避免被后方的同类吃掉。这一发现已经表明，蝗虫的集群行为可能涉及比单纯的生理反应更为复杂的行为。
创新研究方法：虚拟现实揭示群体行为的秘密。
为了更好地了解蝗虫群内部复杂的相互作用，由康斯坦茨大学“集体行为”卓越集群和马克斯·普朗克动物行为研究所的伊恩·库赞领导的研究团队采用了一种革命性的方法：虚拟现实（VR）。库赞解释说：“众所周知，要辨别移动动物群体中的相互作用机制非常困难。个体之间相互影响，同时也受到其他个体行为的影响，这种相互作用十分复杂。”
为了解决这个问题，研究人员开发了一套精密的虚拟现实（VR）装置。他们将活的蚱蜢放置在一个类似跑步机的移动球体上，使它们能够自由活动。在它们周围，科学家们投射出多达64只逼真的虚拟蚱蜢，让这些真实的昆虫感觉自己置身于一个自然的蚱蜢群中。这种创新方法使研究人员能够精确控制活蚱蜢所能获取的信息——例如周围有多少其他蚱蜢以及它们的移动方向。
在一项极具启发性的实验中，研究人员将真正的蝗虫放置在两个虚拟的三维蝗群之间。这种实验设置使他们能够专门检验这些动物是否会像之前假设的那样，对邻近蝗虫的行为做出反应，并作为一个统一的蝗群与之移动。
令人惊讶的结果：群体行为研究的范式转变
实验结果令人惊讶，从根本上挑战了现有理论。与研究人员的预期相反，真实的蝗虫并没有像大型均匀蝗群那样朝同一方向移动。相反，它们转向其中一个虚拟蝗群，并径直朝它飞去。
这项观察表明，所谓的“视觉运动反应”（一种使蝗虫跟随运动感觉的先天反射）并非蝗虫集体协调运动的原因。事实上，研究人员根本没有发现任何证据表明蝗虫会根据邻近蝗虫的位置和运动方向来调整自身。
“个体动物并非粒子，”伊恩·库津解释道，“我们必须将蝗虫视为具有认知能力和行动能力的个体，它们会观察周围环境，并据此决定下一步的迁徙方向。” 研究人员现在认为，蝗群的形成比之前认为的更多地取决于每只蝗虫的个体行为。
实验还表明，即使有两群动物并肩朝同一方向移动，这些动物有时也会偏离共同的行进路线。此外，研究团队没有发现任何证据表明，此前认为的群体密度是引发群体运动的触发因素。
防治蝗灾的实际意义
这些新发现具有深远的实际意义。更好地了解蝗虫群聚和迁徙的基本机制，有助于预测昆虫行为，并制定更有效的蝗灾防治策略。
鉴于蝗灾威胁着约十分之一人口的生计，这项研究的重要性不容低估。2019年至2020年间，蝗灾在非洲之角造成了毁灭性的影响，导致作物歉收和饥荒，这凸显了改进蝗灾预测和控制机制的迫切需要。
人们逐渐认识到，蝗虫并非简单的物理粒子，而是具有独立认知能力和决策过程的个体，这为控制蝗群开辟了新的途径。未来的策略可以不再仅仅依赖大规模的控制措施，而是更加注重理解和影响个体的决策过程。
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未来研究方向和“集体视觉计算中心”
这些突破性的发现仅仅标志着我们对群体行为理解的开端。为了进一步推进这一领域的研究，伊恩·库津在康斯坦茨创立了“群体视觉计算中心”。该中心将成为研究群体行为最先进的设施之一，它将在虚拟全息3D环境中观察动物群体并分析它们的运动。
与此同时，库津的团队也在研究各种动物的空间决策机制。最近发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上的一项研究表明，动物如何通过将世界简化为在两个选项之间进行连续决策来处理复杂的环境。这些发现表明，基本的几何原理或许可以解释动物的运动方式及其原因——这种方法或许也适用于理解蝗虫群的迁徙行为。
集体行为研究的新时代
康斯坦茨大学和马克斯·普朗克动物行为研究所的科学家们开展的这项研究，标志着人们对动物王国群体行为理解的一个转折点。他们挑战了长期以来被奉为圭臬的“自驱动粒子”理论，开辟了一种新的视角，将蚱蜢和其他动物视为具有独立决策能力的个体，它们的群体行为源于复杂的认知过程。
创新型虚拟现实技术的应用已被证明是成功的关键。它使研究人员能够破解此前难以理解的动物群体复杂性，并深入了解群体组织结构。这些发现不仅可能彻底改变我们对群体行为的理论理解，而且可能为应对威胁全球粮食安全的蝗灾提供切实可行的解决方案。
伊恩·库赞及其团队的研究成果凸显了生物学、计算机科学和物理学交叉领域跨学科研究的重要性。库赞曾因其在集体行为领域的研究而荣获著名的戈特弗里德·威廉·莱布尼茨奖。这项研究令人印象深刻地展示了现代技术如何帮助我们揭开自然界的迷人奥秘，同时为紧迫的全球性问题开发切实可行的解决方案。
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