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課程來源:TED
     

 

Nicolas Perony 談「狗狗!你注意到我了」-複合性理論

Nicolas Perony: Puppies! Now that I’ve got your attention, complexity theory

 

Photo of three lions hunting on the Serengeti.

講者:Nicolas Perony

2013年10月演講,2014年1月在TEDxZurich 2013上線

 

翻譯:洪曉慧

編輯:朱學恒

簡繁轉換:洪曉慧

後制:洪曉慧

字幕影片後制:謝旻均

 

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關於這場演講

動物行為並不複雜,但具有複合性。Nicolas Perony研究動物個體-無論是蘇格蘭梗犬、蝙蝠或狐獴-如何遵循簡單規則,共同創造整體行為模式。以及這種由簡單性衍生出的複合性如何幫助牠們適應新狀況的發生。

 

關於Nicolas Perony

Nicolas Perony模擬動物族群的運動,藉此瞭解:什麼樣的個體行為可導致整體社會行為?

 

為什麼要聽他演講

Nicolas Perony以機器人專家展開職業生涯。但當他的機器人作品之一(設計成沿白線行走)因演示當天光線的差異而毀壞,他意識到自己對創造複雜機器人的興趣,不如研究動物王國中既有的複合性。他隨即改變研究方向,現在他是蘇黎世聯邦理工學院系統設計講座之量化科學家,研究主題為動物社會結構及動態。

 

Perony藉由將GPS項圈放置於彼氏鼠耳蝠及狐獴等動物身上進行研究,並研究族群空間數據。他建立長時間運動模型,觀察其中模式。然後試著尋找動物族群中個體可能遵循的簡單規則,當這些規則以集體形式呈現時,將導致整體效應。換句話說,他著眼於導致動物族群集體運動的潛在機制。

 

Nicolas Perony的英語網上資料

Bio: ETH Zurich

Twitter: @nicolasperony

 

[TED科技‧娛樂‧設計]

已有中譯字幕的TED影片目錄(繁體)(簡體)。請注意繁簡目錄是不一樣的。

 

Nicolas Perony 談「狗狗!你注意到我了」-複合性理論

 

科學;科學讓我們瞭解許多關於浩瀚宇宙的知識。它重要無比、遙不可及,卻又顯得離我們更近、與我們更直接相關,相較於許多我們並未真正瞭解的事物。其中之一是我們周遭動物令人驚異的社會複合性。今天我想與各位分享幾個關於動物複合性的故事。

 

但首先,何謂複合性?複合是什麼?好,複合並非複雜。複雜事物包含許多小元件,它們各不相同。在這個架構中,每個元件都有其獨特的作用。相反地,複合系統由許多類似元件組成,它們之間的相互影響,形成整體一致的行為。複合系統擁有許多互動元件,根據簡單的個體規則行動,導致突現性質顯現。系統的整體行為無法僅藉由個體規則預測,如亞里士多德所寫:整體大於各部分總和。但我們不妨從亞里士多德轉移到關於複合系統更具體的例子。

 

這些是蘇格蘭梗犬。最初這個系統雜亂無章,然後出現干擾:牛奶。每個個體開始朝同方向移動,這就是發生的情形。風車式運動是小狗之間交互作用所呈現的突現性質,牠們唯一的規則是儘可能接近牛奶,因此隨機朝某個方向移動。

 

因此關鍵在於尋找形成複合性的簡單規則,我稱之為簡化複合性,這就是我們在蘇黎世聯邦理工學院系統設計講座所做的事。我們收集關於動物族群的資料、分析複合模式、試著進行解釋。這需要物理學家、生物學家、數學家及電腦科學家攜手合作,藉由他們的互動產生跨領域能力,解決這些問題。因此同樣地,整體大於各部分總和。以某種程度來說,合作是另一個複合系統的例子。

 

你或許想知道,我研究的是生物學還是物理學?事實上這有點特殊,為了解釋這一點,我得告訴你一個關於我本身的小故事。我年幼時喜歡打造東西,創造複雜的機器,因此我決定研究電子工程和機器人。我的結業研究項目是打造一個名叫ER-1的機器人,看起來像這樣。它可從周遭環境收集資訊,然後沿地面上的白線前進。它相當複雜,但在我們的測試室中,它運作得相當完美。演示那天,教授們集體為這個項目評分,因此我們把ER-1帶到評分室。結果那個房間裡的燈光稍有不同,機器人的視覺系統被打亂了。在白線第一個轉彎處,它偏離路線,撞到牆上。我們花了好幾個星期打造它,使它毀於一旦的竟是房間燈光顏色的微小改變。此時我意識到,你將一台機器造得越複雜,它越可能因某種完全出乎意料的因素而失敗。於是我意識到,事實上我並不真的想創造複雜的東西,我想瞭解複合性,我們周遭世界的複合性,尤其在動物王國裡。

 

這就得談談蝙蝠了。彼氏鼠耳蝠是一種常見的歐洲蝙蝠,牠們是相當具有社會性的動物,牠們多半棲息或睡在一起。牠們以雌性族群形式生活,這意味著每年春天,雌蝙蝠於冬眠後聚在一起,共同生活約六個月,以撫育後代。牠們都裝著相當小的晶片,這意味著每當其中一隻進入其中一個特製蝙蝠箱,我們即可得知她在哪裡;更重要的是,我們知道她和誰在一起。因此我研究的是蝙蝠的棲息關聯性。這就是蝙蝠箱的模樣。白天時,蝙蝠分成若干小組,棲息在不同蝙蝠箱中。有可能某天,整個族群分佈在兩個箱子裡;但另一天,牠們可能聚集在同一個箱子裡,或分佈在三個以上的箱子裡。整體看來似乎相當混亂,稱之為裂變融合動態,這是指一群動物規律性分裂及合併成不同子群的特性。

 

因此我們所做的是,收集來自不同日子的所有觀察資料,將它們整合,歸納出長期關聯模式,藉由應用技術與網路分析,獲得族群社會結構的完整圖片。瞭解嗎?圖片看起來像這樣。在這個網路中,所有圓圈代表節點,即蝙蝠個體;它們之間的連線代表社會紐帶,即個體間的關聯。事實上這是相當有趣的圖片。蝙蝠族群組織成兩個不同群落,無法藉由每日裂變融合動態預測,我們稱之為隱性社會單位。更有趣的是,事實上,每年10月左右,族群解體,所有蝙蝠分開冬眠。但年復一年,當蝙蝠於春天再次重聚時,群落分佈保持不變。

 

因此這些蝙蝠可記住牠們的朋友很長時間。藉由花生般大小的腦,牠們保持個體間的長期社會關聯。我們不曾想過這個可能性。我們知道靈長類動物、大象、海豚能做到這一點,但相較於蝙蝠,牠們的腦袋大多了。因此蝙蝠怎能保持這種複合、穩定的社會結構,以如此有限的認知能力來說?

 

答案在於複合性。為了瞭解這個系統,我們建立棲息關聯性電腦模型,基於簡單個體規則,模擬蝙蝠族群在數千個日子裡的情況。這是一個數學模型,但並不複雜。簡言之,這個模型告訴我們的是,每隻蝙蝠將族群裡少數其他成員視為朋友,較傾向於與牠們棲息在同一個箱子裡。簡單個體規則,這足以解釋這些蝙蝠的社會複合性。

 

但還有更棒的。2010年至2011年間,族群失去超過三分之二成員,或許因為那年冬天特別冷。隔年春天,並未像往年那樣形成兩個群落。這可能導致整個族群死亡,因為規模變得太小。相反地,牠們形成單一、凝聚的社會單位,使族群得以安然度過那一季,並在隨後兩年當中再次蓬勃發展。據我們所知,蝙蝠並未意識到牠們的族群這麼做。牠們只是遵循簡單的關聯規則,藉由這種簡單性衍生出社會複合性,使族群擁有對抗群體結構巨大變化的適應性。我認為這令人不可思議。

 

現在我要分享另一個故事,但我們必須從歐洲轉移到南非的喀拉哈里沙漠,這是狐獴的棲息地。我相信你們知道狐獴,牠們是迷人的生物,牠們生活在社會階級相當分明的族群裡。其中有一對領袖和許多下屬,有的充當哨兵、有的充當褓姆、有的負責教導幼狐獴等等。我們所做的是將很小的GPS項圈放在這些動物身上,研究牠們如何集體行動,以及這與牠們的社會結構有何關聯。這個關於狐獴集體行動的例子相當有趣。牠們居住的保留區中央有條馬路,路上有車,因此相當危險。但狐獴必須穿越馬路,才能從一個獵食地前往另一個。因此我們質疑,牠們如何做到這一點?我們發現,領導族群前往馬路邊的多半是雌狐獴領袖。但開始穿越馬路時,她讓路給其他下屬。這個舉動彷彿是說:「去吧,讓我知道是否安全。」事實上,我不知道的是,狐獴遵循什麼樣的行為規則,可使群體優先順序發生這樣的變化,簡單規則是否足以解釋這個現象。

 

因此我建了一個模型,虛擬狐獴穿越虛擬馬路的模型。這是簡化模型,移動的狐獴彷彿隨機粒子,唯一規則是排成一列,牠們只是集體行動。當這些粒子抵達馬路時,牠們感覺到某種障礙,然後撞了上去。紅色那隻雌狐獴領袖和其他個體的唯一差別就是,對她來說,障礙物的高度事實上相當於來自馬路的風險,稍微高了一些。這種個體運動規則中的微小差異,足以解釋我們觀察到的現象。即雌狐獴領袖領導族群抵達馬路,然後讓路給其他狐獴,讓牠們先過馬路。George Box,他是英國統計學家,曾經寫道:「所有模型都是虛構的,但有些是有用的。」事實上,這個模型顯然是虛構的,因為在現實中,狐獴決非隨機粒子。但它也是有用的,因為它告訴我們這種極度簡單的個體層面運動規則,在群體層面可導致相當大的複合性。因此同樣地,這是簡化複合性。

 

我想做個結論,說明這對整個物種意味著什麼。當雌狐獴領袖讓路給下屬,這並非出於禮貌。事實上,雌狐獴領袖對族群的凝聚力來說非常重要。如果她死在馬路上,整個族群將面臨風險,因此這種避險行為是相當古老的進化反應。這些狐獴正複製一個歷經千百代的進化策略,牠們將它用於處理現代風險,在這個例子中是人類建造的馬路。牠們採用相當簡單的規則,產生複合行為,使牠們得以因應人類入侵牠們的自然棲息地。

 

最後,也許是蝙蝠,牠們藉由改變社會結構因應群體災難;也許是狐獴,牠們對人類馬路展現新型適應方式;也許是另一個物種。我想說的是-這並非複雜的問題,只是簡單的憧憬和希望。我想說的是,動物展現非比尋常的社會複合性,使牠們得以適應及因應環境變化。用幾個字總結:在動物王國中,簡單性導致複合性,複合性導致適應性,謝謝。

 

(掌聲)

 

Dania Gerhardt:十分感謝,Nicolas,很棒的初次體驗。有點緊張嗎?

 

Nicolas Perony:還好,謝謝。

 

DG:好,太棒了。我敢肯定許多聽眾試著將你所談的動物-蝙蝠、狐獴-和人類做聯結。你舉了一些例子:雌性具有社會性,雌性佔主導地位。我不知道聽眾的看法,但-這種關聯性是否適用?是否存在可確認的典型,說明這適用於所有物種?

 

NP:好,這麼說吧,這些典型中也有相反的例子。舉例來說,海馬或無尾熊事實上一向由雄性撫育後代。其中的教訓是,將人類與動物進行比較通常相當困難,有時甚至有點危險。嗯-大致如此。

 

DG:好,十分感謝你帶來的精彩演講。謝謝,Nicolas Perony。

 

以下為系統擷取之英文原文

About This Talk

Animal behavior isn't complicated, but it is complex. Nicolas Perony studies how individual animals -- be they Scottish Terriers, bats or meerkats -- follow simple rules that, collectively, create larger patterns of behavior. And how this complexity born of simplicity can help them adapt to new circumstances, as they arise. Nicolas Perony models the movement of animal groups to understand: what is the individual behavior that guides the behavior of the larger society?

About the Speaker

Nicolas Perony started his career as a roboticist. But after one of his robots -- which was designed to follow a white line -- destroyed itself because of a lighting snafu on demo day, he realized that he was less interested in creating complicated robots and more interested in studying the complexity that already exists out there in the animal kingdom. He quickly changed course and is now a quantitative scientist at the Chair of Systems Design at ETH Zurich, where he studies the structure and dynamics of animal societies. Perony conducts his research by placing GPS collars on animals like Bechstein's bats and meerkats, and studying the spacial data of the group. He creates models of the movement over time to see patterns. He then tries to ascertain at the simple rules that individuals in the animal group seem to be following that, when done en masse, result in the larger flow. In other words, he looks at the underlying mechanics that lead to the collective movement of animal groups.

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