La vision suffit pour produire les mouvements collectifs

Un modèle basé sur les capacités de perceptions visuelles

Les mouvements collectifs sont omniprésents parmi de nombreuses espèces d’animaux, quel que soit leur mode de locomotion. Les scientifiques modélisent ces mouvements collectifs pour mieux les comprendre. Cependant, les modèles existants reposent sur des modes de perceptions inconnues chez ses animaux, simplifiant la perception des animaux de façon irréaliste comme si un animal pouvait connaître les positions exactes de tous ses congénères membres d’un même groupe. Dans un article publié dans la revue Physical Review Research, les scientifiques ont développé un modèle de mouvement collectif qui se base uniquement sur des capacités de perceptions visuelles connues chez les animaux, notamment sur le flux optique.

Leurs travaux reproduisent les modèles de comportement collectif les plus courants sur la base d’indices visuels biologiquement plausibles, et compatibles pour des robots équipés de capteurs visuels bio-inspirés.

Dans cette étude, chaque individu voit les autres individus sous forme de sphères. Ainsi les autres congénères ne sont pas identifiés et seule leur projection sur la rétine panoramique de chaque individu est prise en compte. Les indices visuels utilisés par les individus sont :  la taille optique d’un ou d’un amas d’individus, sa position, son défilement (flux optique de translation), son expansion/contraction optique (divergence du flux optique).

Deux règles pour expliquer l’ensemble des mouvements collectifs. 

Pour simuler ces comportements collectifs, les mêmes règles sont suivies par l’ensemble des individus. La première règle est l'attraction basé sur la taille optique des individus telle que perçue par chaque individu dans son champ visuel. L'attraction représente le désir inhérent du groupe de rester ensemble. Sans attraction, les individus s'éloigneraient naturellement les uns des autres.

La seconde règle est l'alignement basé sur le flux optique. On distinguera le flux optique de translation qui correspond au défilement optique des congénères et la divergence du flux optique qui correspond à la variation de la taille optique des congénères. L'alignement reflète la tendance du groupe à aller dans la même direction. Sans alignement, les individus du groupe auraient du mal à se suivre les uns les autres.

En utilisant ces deux règles, nous pouvons recréer les trois principaux comportements collectifs :

• le bourdonnement (swarming), tel celui d’un groupe d'abeilles ou de moustiques qui volent ensemble dans une même zone,
• le banc ou la volée (schooling), tel celui d’un groupe d'oiseaux qui volent ensemble d'un endroit à l'autre, et,
• le vortex (milling), tel celui d’un groupe de poissons qui tournent en rond dans un mouvement tourbillonnant.

Cette étude démontre que des individus n’ont pas besoin de la connaissance parfaite et omnisciente de la position, des inter-distances, des orientations des autres individus pour se mouvoir collectivement : la vision seule permet de recréer les principaux comportements collectifs connus dans le monde animal.

Figure :
a) Congénères présents dans le champ visuel de l’individu central. Les flèches en périphérie représentent le défilement visuel (ou flux optique) lors du déplacement de l’individu central.
b) Vue à 360° perçue de l’individu central,
c) Vue binaire perçue de l’individu central,
d) Flux optique perçu dans le champ visuel,
e) Le mouvement de collectif de bourdonnement (ou swarming),
f) Le mouvement de collectif en banc ou en volée (ou schooling),
g) Le mouvement de collectif de vortex (ou milling).

En savoir plus :
Castro, D., Ruffier, F., & Eloy, C. (2024). Modeling collective behaviors from optic flow and retinal cues. Physical Review Research, 6(2), 023016 doi: 10.1103/PhysRevResearch.6.023016.