Il volo elegante e coordinato di stormi di uccelli migratori è uno degli spettacoli più suggestivi dei cieli dei mesi autunnali; ma può anche diventare oggetto di ricerca per matematici, fisici e studiosi dei sistemi complessi. È il caso di Irene Giardina, dell’Istituto dei sistemi complessi del Cnr di Roma (Isc-Cnr), che figura fra i recenti vincitori dei finanziamenti europei per i giovani ricercatori assegnati dall’European Research Council (Erc) dal quale ha ricevuto un grant per un progetto sullo studio degli stormi di uccelli e degli sciami di insetti. Ilsussidiario.net l’ha interpellata per parlare di questa originale ricerca.
L’argomento del suo progetto è piuttosto singolare: come è nata l’idea di uno studio del genere?
Stormi di uccelli e sciami di insetti rappresentano esempi paradigmatici di comportamento collettivo auto-organizzato: non esiste alcun leader che guidi i compagni, ma al contrario il moto di gruppo è determinato unicamente dalle interazioni tra gli individui. Per esempio, nel caso degli uccelli ogni individuo cerca di “imitare” i vicini, volare in media nella loro stessa direzione e rimanere vicino a essi.
Questa tendenza locale al mutuo allineamento si propaga poi all’intero sistema e quello che ne risulta è un gruppo globalmente polarizzato. Da un punto di vista meccanicistico, questo fenomeno ricorda ciò che accade in fisica in molti sistemi di particelle interagenti: anche in questo caso l’ordine globale tipicamente emerge da interazioni che sono locali.
L’esempio più simile agli uccelli è quello del ferromagnetismo, in cui i momenti magnetici degli spin (cioè del moto rotatorio) di particelle vicine tendono ad allinearsi e a bassa temperatura ne risulta un sistema globalmente magnetizzato.
Lo studio di fenomeni collettivi in sistemi di entità interagenti ha una lunga tradizione in fisica statistica e della materia, mio campo di formazione e ricerca. Dunque, l’idea del mio progetto è quella di cercare di applicare concetti, metodologie e approcci teorici tratti dalla fisica statistica per cercare di comprendere meglio l’origine mircoscopica dei fenomeni collettivi nei gruppi animali.
Il problema cruciale è comprendere quali siano precisamente le interazioni tra individui e le regole dinamiche seguite dai singoli. La convinzione generale è che gli individui seguano regole basate sull’imitazione (vedi l’esempio degli uccelli). Quale sia la precisa natura di tali regole, tuttavia, è ancora largamente ignoto.
Da quanto tempo state studiando il comportamento degli uccelli?
Nel caso degli uccelli (flocking), il mio gruppo ha già una notevole esperienza. Io e il dottor Cavagna (che collabora con me anche nella ERC) ci siamo occupati di flocking negli ultimi cinque anni, inizialmente nell’ambito di un grosso progetto europeo sull’argomento. Il progetto SWARM (sciame), per il quale ho ricevuto il grant dell’ERC, mira ad estendere la nostra ricerca agli sciami di insetti e affrontare uno studio comparativo (uccelli vs insetti), esportando, come dicevo, metodi sperimentali e di analisi della fisica statistica
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Come affronterete il problema? Quali metodologie applicherete?
Ecco in due parole le metodologie. Dapprima effettueremo esperimenti di fotografia stereoscopica sul campo, con l’obiettivo di ricostruire le coordinate tridimensionali e le traiettorie dinamiche di ogni individuo in gruppi (sciami e stormi) di migliaia di animali. Tale obiettivo è estremamente complicato da raggiungere. Consideri che – ad esempio – nel caso degli uccelli, la gente riusciva a ricostruire gruppi di 30/40 individui. Il mio gruppo è riuscito a ricostruire gruppi di 3.000/4.000 individui. Ora il nostro obiettivo è estendere questa analisi agli sciami.
A tale scopo svilupperemo algoritmi di tracking basati su fisica statistica, tecniche di computer vision e ottimizzazione.
In seguito, con i dati 3D ottenuti dagli esperimenti, effettueremo una caratterizzazione statistica dei gruppi, usando tecniche di fisica statistica e calcolando quantità che – grazie al nostro background in fisica – sappiamo essere particolarmente adatte a descrivere i fenomeni collettivi. In tal modo cercheremo di inferire a posteriori le interazioni che determinano le quantità osservate.
Infine, con le informazioni ottenute, svilupperemo modelli agent-based di comportamento collettivo auto-organizzato
Avete già un set di dati sufficienti o dovrete fare ulteriori osservazioni?
Per poter svolgere le analisi prima indicate, faremo nuove osservazioni, sia su insetti che su uccelli.
Immagino che i risultati ottenuti si potranno applicare anche ad altri campi: quali ad esempio?
Alcuni risultati che abbiamo trovato in passato sugli uccelli (ad esempio le interazioni topologiche) sono stati applicati anche a modelli di traffico.
Sicuramente un campo di grande potenzialità è quello della teoria del controllo e della robotica: l’idea è quella di ispirarsi ai sistemi biologici per sviluppare algoritmi di controllo decentralizzato, per controllare in maniera distribuita sistemi artificiali composti da molte unità.