Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/verhaltensforschung-mit-gpus-demokratie-braucht-deppen-1205-91867.html    Veröffentlicht: 17.05.2012 10:57    Kurz-URL: https://glm.io/91867

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.

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.

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.

Aufwendige Videoauswertung

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

Couzins bezeichnet das Verhalten eines Schwarms als ein demokratisches System, das aus Informationsträgern und den Unwissenden besteht - Letztere nennt er auch "dumm". Der Forscher untersuchte unter anderem, wie schnell und wie richtig die Entscheidung über eine Schwimmrichtung getroffen werden kann und wie die Zahl der Tiere insgesamt und die Zahl der Informationsträger sich dabei auswirken.

Es zeigte sich, dass das Verhältnis der Informationsträger zur Größe des Schwarms in einer umgekehrten Beziehung steht: Je größer die Gruppe, umso weniger Informationsträger braucht sie im Verhältnis, um die richtige Entscheidung zu treffen.

Dabei wirken sich die Informierten am stärksten aus, die ihre Meinung von der richtigen Richtung am deutlichsten wiedergeben - also die, welche unmittelbar angegriffen werden und darauf panisch reagieren. "Eine deutlich herausgebildete Meinung zu haben, ist ein Vorteil. Man kann sich damit leichter durchsetzen", sagte Couzin.

Extremisten und ihre Nachbarn

Der Forscher machte dabei eine wichtige Unterscheidung zu menschlichen Demokratien: "Bei uns wären die Meinungsstarken die mit extremistischen Ansichten." Die Extremisten wirken sich bei den Fischen aber weniger stark aus, weil jeder Nachbar etwas schwächer reagiert, und sich die Stärke der Meinung über die Richtung so mit zunehmender Distanz abschwächt.

Wenn es aber weniger dumme Individuen gibt, also mehr Informationsträger, wirken sich die meinungsstarken weniger stark aus, stellte Couzin fest. Allgemein gilt aber: Die Dummen lassen sich von denen mit Wissen beeinflussen, weil sie direkt aufeinander wirken.

Ausgehend von diesen Ergebnissen wollte Couzin seine Modelle auch auf Tiere anwenden, die weniger oft angegriffen werden, aber öfter dem Menschen indirekt schaden: Heuschrecken. Sie sind vor allem in Westafrika eine Plage, gegen welche die Wissenschaft noch kein praktikables und bezahlbares Mittel gefunden hat.

Vor allem wollte Couzin wissen, warum sich Heuschrecken in Schwärmen so schnell fortbewegen, obwohl sie weder angegriffen werden noch die Nahrung knapp ist. Die Tiere könnten sich auch verteilen, statt in Schwärmen einer Richtung zu folgen.

Marschrichtung

Der Grund: Sie treiben sich gegenseitig an, was Couzin den "Erzwungenen Marsch" nannte. Er fand heraus, dass Heuschrecken sich von hinten beißen, wenn sich der Vordermann nicht bewegt. Daher laufen sie ständig voreinander weg, und das vordere Tier kann seinen Individualabstand nicht einhalten.

Couzin wies das auch im Experiment nach: Wurde den Heuschrecken das Schmerzempfinden oder die Sicht genommen, hörte das ständige Marschieren auf. Das Sehen ist dabei wichtig, weil es für die Heuschrecken, anders als bei Fischen mit ihrem Druckempfinden, das wichtigste Orientierungsmittel für den Abstand voneinander ist.

Der Wissenschaftler will seine Ergebnisse, die er auch in Experimenten in Westafrika gewonnen hat, nun in Simulationsmodelle umsetzen. Vielleicht, so Couzin, lässt sich damit langfristig ein Weg finden, das Verhalten von Heuschrecken zu beeinflussen und sie nicht zu vergiften. Denn das ist für den Rest der Umwelt schädlich und auch schlicht zu teuer.  (nie)


Verwandte Artikel:
Lunar X-Prize: Der autonome Mondroboter mit fünf Kilometern Reichweite   
(18.05.2012, https://glm.io/91872 )
Tesla K10: Kepler mal zwei mit schnellem Speicher   
(16.05.2012, https://glm.io/91837 )
Grafikkarte: Nvidias GTX-670 bisher gut verfügbar   
(11.05.2012, https://glm.io/91742 )
Kepler GK110: Größter Chip der Welt mit 7 Mrd. Transistoren und Hyper-Q   
(16.05.2012, https://glm.io/91833 )
Wacom Cintiq Pro Engine: Steckkassette macht Stiftdisplay zum Grafiker-PC   
(28.02.2018, https://glm.io/133061 )

© 1997–2019 Golem.de, https://www.golem.de/