27 Maggio 2022
Fauna Scienze e ricerca

Storni: tra discese (ardite) e risalite mozzafiato regolano la velocità

Pubblicato sulla rivista Nature Communications uno studio, realizzato dal gruppo CoBBS che spiega con un nuovo modello matematico come i singoli individui all’interno di uno stormo di storni siano in grado di regolare la loro velocità, mantenendo il coordinamento con il gruppo. Lo studio apre nuove strade verso la comprensione dei sistemi biologici, ma anche nell’ambito della robotica e dell’ingegneria.

Dalla collaborazione tra l’Università La Sapienza – Dipartimento di Fisica e l’Istituto dei sistemi complessi del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR-ISC) è nato il Gruppo di Ricerca gruppo di ricerca “CoBBS” (Collective behaviour in biological systems) che si propone di riunire in un unico sforzo esperimenti sui sistemi biologici collettivi e sulla teoria ispirata alla fisica. Come nella meccanica statistica, il comportamento collettivo mostra due fasi:
– una in cui tutti gli individui si sincronizzano, dando origine a un parametro di ordine diverso da zero;
– la seconda in cui emergono modelli locali con un parametro di ordine zero.
I due casi paradigmatici sono gli stormi di uccelli e gli sciami di insetti, su cui CoBBS si è concentrato nell’ultimo decennio.

Giorgio Parisi, Professore di Teorie Quantistiche nel Dipartimento di Fisica dell’Università “La Sapienza” di Roma, Premio Nobel per la Fisica 2021 per i suoi studi sui sistemi complessi, nel suo ultimo libro “In un volo di storni” ha indicato come lo studio del volo di questi uccelli sia il filo conduttore delle sue ricerche, e di moltissimi altri studi della fisica moderna, ovvero come “capire il comportamento di un sistema composto da un gran numero di componenti (attori) interagenti […] È affascinante osservare il comportamento collettivo degli animali, siano essi stormi di uccelli, banchi di pesci o mandrie di mammiferi”.

Uno stormo di storni, quasi uno scioglilingua, il cui significato ben si spiega in alcuni periodi dell’anno, quando, soffermandoci con il naso all’insù, possiamo osservare tanti, unici, grandi corpi neri volteggiare in discese e risalite mozzafiato nel cielo, disegnando spettacolari coreografie.

In realtà – ha affermato Stefania Melillo, dell’Istituto dei sistemi complessi del Cnr di Roma e componente del CoBBS -.sono centinaia, migliaia di uccelli, storni appunto, che sincronizzano il loro movimento con lo scopo di mantenere il gruppo coeso e reagire collettivamente agli attacchi dei predatori e agli stimoli esterni”.

Sulla Rivista Nature Communications è stato pubblicato il 10 maggio 2022 lo StudioMarginal speed confinement resolves the conflict between correlation and control in collettive behavoiur”, in cui i ricercatori del Gruppo CoBBS con un nuovo modello matematico spiegano come i singoli individui all’interno di uno stormo di uccelli siano in grado di regolare la loro velocità, mantenendo il coordinamento con il gruppo.

Questo fenomeno collettivo è generato da un meccanismo imitativo – ha aggiunto Melillo che è anche co-autore dello studio – Ogni uccello adatta la propria direzione di volo e la propria velocità a quella di una decina di uccelli nel suo vicinato. In questo modo, quando un uccello cambia il proprio moto, i suoi vicini lo imitano e, con una sorta di passaparola, il cambiamento si propaga in tutto il gruppo. La necessità fondamentale per il verificarsi di questo spettacolare fenomeno (in gergo chiamato ‘flocking’) è che gli individui rimangano all’interno del gruppo, muovendosi in maniera coordinata, tra frenate e accelerate, dovendo sottostare ad una serie di vincoli meccanici e fisiologici richiesti da una dinamica complessa come quella del volo. Quello che ancora non è ben chiaro è come gli uccelli regolino la loro velocità all’interno del gruppo”.

Immaginiamo di sperimentare su noi stessi un meccanismo simile al volo degli storni quando siamo nel traffico o in autostrada e regoliamo la nostra andatura in base alle autovetture davanti a noi – ha osservato Antonio Culla, del gruppo CoBBS, dottorando in fisica all’Università “La Sapienza” di Roma e tra gli autori della ricerca – Quando una vettura frena, quelle nelle sue immediate vicinanze la imitano. Il cambio di velocità si propaga poi a tutta la fila di macchine, che collettivamente rallentano. Ma c’è un altro elemento da tenere in considerazione. La velocità di un’autovettura è limitata dal motore: un’utilitaria non può raggiungere la velocità di una macchina sportiva. Allo stesso modo, a causa della sua struttura fisiologica, uno storno non può volare veloce quanto un falco”.

Ma come si modellizza questo controllo delle velocità?
Gli storni hanno un valore preferenziale della velocità di volo (circa 43 Km/h), chiamato velocità di riferimento, dovuto alla loro struttura fisiologica – ha proseguito Culla – Quando si trovano in volo all’interno di un gruppo di loro simili, è estremamente facile muoversi ad una velocità di poco diversa da quella di riferimento, mentre è incredibilmente difficile muoversi molto più veloci o molto più lenti, Nel modello teorico che proponiamo, il singolo elemento dello stormo regola la sua velocità individuale all’interno della dinamica del gruppo, purché resti su valori ragionevoli, come una sorta di limitatore su una autovettura, che permette all’autista di deviare dal valore di riferimento, ma non di oltrepassare un limite fissato”.

L’eccezionale database di stormi di storni costruito dal gruppo CoBBS negli ultimi 15 anni, unico nel suo genere poiché comprende le traiettorie tridimensionali di 45 stormi di varie dimensioni (da 10 a 3.000 uccelli), ha permesso di provare l’efficacia dello studio.
Il nuovo modello permette agli elementi all’interno dello stormo di coordinare i loro movimenti e di essere molto correlati tra di loro, pur mantenendo una velocità vicina a quella di riferimento, proprio come negli stormi osservati sul campo”.

Secondo i ricercatori, lo studio per descrivere il movimento collettivo apre nuove strade verso la comprensione dei sistemi biologici ma anche nell’ambito della robotica e dell’ingegneria.
 



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