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Verhaltensforschung mit GPUs: Demokratie braucht Deppen

In San Jose hat der Verhaltensforscher Iain Couzin gezeigt, wie sich die Simulation von Schwarmverhalten mit GPUs in Einklang mit realen Experimenten bringen lässt. Die Ergebnisse bieten auch einen Einblick in menschliches Verhalten.

Artikel veröffentlicht am ,
Iain Couzin vor einem Modell des menschlichen Gehirns
Iain Couzin vor einem Modell des menschlichen Gehirns (Bild: Nico Ernst/Golem.de)

Wenn ein Schwarm Fische im Ozean von einem Räuber angegriffen wird, flüchten die Tiere in Sekundenbruchteilen - aber wie machen sie das so schnell und geordnet? Das ist eine der Fragen, denen der vielfach ausgezeichnete Verhaltensforscher Iain Couzin von der Princeton-Universität nachgeht.

Inhalt:
  1. Verhaltensforschung mit GPUs: Demokratie braucht Deppen
  2. Wissende und Unwissende

In den 1940er und 50er Jahren dachten die Wissenschaftler Couzin zufolge noch, dass Fische das mit spontaner Gedankenübertragung erreichen. Telepathie wurde damals ernsthaft als Möglichkeit diskutiert. Heute weiß man, dass die Fische, unter anderem durch Sicht und Druckveränderungen im Wasser, wahrnehmen, was ihre Nachbarn gerade tun. Auch mit einem anderen Mythos räumte Couzin auf.

Fische mit gutem Gedächtnis

"Glauben Sie nicht, was so oft geschrieben wird - Fische haben nicht nur ein Erinnerungsvermögen von 8 Sekunden. Das ist ein Mythos, sie können sich Tage, Wochen, Monate und Jahre an etwas erinnern", sagte der Forscher.

Dass Fische durch die seitlich am Kopf angebrachten Augen vor allem sehen, was um sie herum - aber nicht vor ihnen - vorgeht, war einer der Schlüssel bei der Erforschung von Schwarmverhalten. Hilfreich waren dabei Simulationen, bei denen nicht nur die Richtung, sondern auch das Sichtfeld der Tiere in Animationen dargestellt wurde. Für die Blickrichtung wurde dabei Raycasting eingesetzt.

  • Das Ziel von Schwarmverhalten
  • Couzins Cluster mit Nvidia-GPUs für die Simulationen
  • Videoanalyse von Blick und Richtung bei Menschen
  • Diese Arbeit brachte Couzin die GTC-Keynote ein.
  • Ein Schwarm von 32.000 Fischen lässt sich per GPU simulieren.
  • Das Verhalten lässt sich mit solchen Gleichungen beschreiben.
  • Fischschwarm mit Erregungszuständen und Richtungen (Fotos: Nico Ernst)
  • Der linke Fisch will weg - was tun die anderen?
  • Je größer der Schwarm, desto weniger Informationsträger sind im Verhältnis nötig.
  • Plagen durch Heuschreclen sind ein ungelöstes Problem.
  • Den Versuchstieren wird ein Nerv gekappt, damit sie Bisse nicht mehr spüren.
  • Ein Gewaltmarsch, der durch Artgenossen erzwungen wird
  • Der Zwang zu marschieren sinkt, wenn Bisse nicht mehr helfen.
  • Iain Couzin vor einem Modell des menschlichen Gehirns
Fischschwarm mit Erregungszuständen und Richtungen (Fotos: Nico Ernst)

Aufwendige Videoauswertung

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Ebenso war es erst mit steigender Rechenleistung von Computern möglich, Videos von realen Fischen in Echtzeit auszuwerten. Couzin zeigte dazu in seinem Vortrag auf der GPU Technology Conference einige Videos von eigenen Arbeiten und von Forschungen anderer Wissenschaftler, die ihre Modelle im Rechner sehr nah an Vorgänge in der Natur angepasst hatten.

Erst mit solchen Modellen, so Couzin, konnten sich die Verhaltensforscher dann an die Beantwortung weiterer Fragen machen. Klar ist, dass es einen oder mehrere Fische geben muss, die den Räuber zuerst bemerken. Sie flüchten dann in eine Richtung, in die die anderen Fische folgen - aber eben nicht alle, vielmehr sehen die angegriffenen Schwärme wie ein Nebel aus, durch den ein Geschoss fliegt. An den Rändern eines großen Schwarms verändert sich fast nichts, und ebenso schnell wie dessen kurzfristige Auflösung findet er wieder zusammen.

Die Regeln des Schwarms

Ein Grund dafür - und auch für die Informationsübermittlung - ist der Individualabstand, bei dem sich die Tiere wohl fühlen. Zu nah an anderen zu sein, ist ihnen ebenso unangenehm, wie von den Artgenossen zu weit entfernt zu sein. Bei panischer Flucht verändern sich diese Abstände so schnell, dass die anderen Tiere darauf ebenso spontan reagieren. Umgekehrt läuft der Prozess ab, wenn die Gefahr nicht mehr vorhanden ist. Das sind die sozialen Regeln, nach denen ein Schwarm funktioniert.

Die einzelnen Tiere können aber nicht wissen, wer gerade eine neue Information hat. Daher reagieren sie zunächst auf jede Veränderung, denn diese könnte ja eine wichtige Information darstellen. Dabei werden die üblichen sozialen Regeln mit denen von panischem Verhalten kombiniert: Plötzliche Veränderungen sind immer wichtiger als die üblicherweise geltenden Regeln.

Wissende und Unwissende 
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tilmank 11. Jun 2012

https://www.youtube.com/watch?v=YBYU1eayaXs

jorgento 18. Mai 2012

Vielen Dank Herr Ernst! Ich hatte erfolglos gegoogelt. Auf jeden Fall wusste ich das...

Aileron 18. Mai 2012

Vielen Danke ;) danach habe ich gesucht. mfg Aileron

irata 18. Mai 2012

Würde eigentlich auch ganz gut passen ;-)

elcaleuche 18. Mai 2012

...oder einfach im Stau, wo einer ausschert und andere ihm folgen - obwohl er mutmaßlich...


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