Sereglő seregélyek

A seregélyek (mint a legtöbb rajokban élő állat) vezető nélkül, egyszerű szabályokat követve koordinálják a csoport viselkedését.

Valószínű mindenki látott már madár rajt nyüzsögni az égen. Gondolkodtatok-e már azon, vajon honnan tudják ezek a madarak, hogy merre kell repülniük? Ki a vezetőjük? Az olyan madarak, mint az európai seregély, több ezer egyedből álló rajokat alkotnak, amelyek láthatóan összehangolt módon mozognak. A hangyák csoportosan vonulnak, fészküktől távol találva táplálékforrásokat. Más rovarok, például a termeszek felhőkarcolószerű fészkeket építenek, amelyek szabályozzák a belső hőmérsékletet, és milliónyi egyednek adnak otthont. Mindezt főnök nélkül hajtják végre, nincs egy kiemelt személy, aki a többiek koordinálásáért felelős. Hogyan csinálják?

Játsszunk a csoporttal három, különböző elrendeződést bemutató játékot!

Feladat leírása:

Egyszerű magyarázat (9-10 éveseknek)

A foglalkozásokban megtapasztaltakhoz hasonlóan, a madárrajok néhány egyszerű szabályt követnek. A szabályok a következők: 1) menj olyan közel, amennyire csak tudsz; 2) tarts (bizonyos) távolságot; 3) menj ugyanabba az irányba, mint a szomszéd madarak. Az 1. és 2. szabály „kiegyensúlyozó” szabályok. Az 1-es szabály nélkül túl messzire kerülnének egymástól, a 2-es szabály nélkül pedig összeütköznének. A szabályok megléte mellett az is fontos, hogy minden madár megértse, és mindig be is tartsa azokat.

A foglalkozás második fordulójában csak egy szabály változott meg, de annak nagy hatása volt. Mivel mindenkinek középen kell lennie (A és B között), senki sem lehet kívül, ezért mindenki egy helyen lesz.

A seregélyek néhány egyszerű szabály betartásával oldják meg az együtt mozgás összetett tornamutatványát. Nagyon figyelnek a körülöttük repülők sebességére és irányára, azonban nem figyelnek egyszerre a madárraj összes többi tagjára. Egy seregélynek csak a hozzá legközelebb álló hét másik seregély mozgására kell figyelnie.

Haladó magyarázat (11-12 éveseknek)

Ha a seregélyek hétnél kevesebb szomszédjukra figyelnek, akkor nincs elég megbízható információjuk ahhoz, hogy pontosan repüljenek a rajban. Ha hétnél több társukra figyelnek, akkor túl sok az információ ahhoz, hogy gyorsan fel tudják dolgozni azokat és valós idejű döntéseket tudjanak hozni. Kiderült, hogy hét szomszéd figyelése az ideális szám, függetlenül attól, hogy mekkora vagy milyen sűrű a raj. Az általuk használt egyszerű szabályok a távolságra (nem túl távol a hét másik seregélytől, de nem is túl közel hozzájuk – az ütközések elkerülése érdekében) és az irányra (a másik hét közelivel azonos irányba) vonatkoznak.

Az önszerveződő biológiai rendszerek pozitív és negatív visszacsatolási hurokkal működnek. A pozitív visszacsatolás magyarázható úgy, hogy „csináld tovább”, a negatív visszajelzés pedig „hagyd abba a munkát”. A visszacsatolási hurkok gyakran egymással összhangban működnek. A visszacsatolási rendszerek olyan szabályokban nyilvánulnak meg, amelyeket az egyén követ. Például a rajok mozgása modellezhető úgy, hogy az egyéneknek három követendő szabályt adunk: két pozitív és egy negatív visszacsatolási hurkot.

Az első szabály, az egyik pozitív visszacsatolási hurok, az összetartozás (kohézió), ahol az egyének közelebb kerülnek egymáshoz: minél nagyobb a csoport, vagy minél közelebb van az egyén, annál nagyobb a késztetés az együtt maradásra. A második szabály negatív visszacsatolási hurok, az elkülönülés, amely korlátozza az első szabályt: az egyes madarak közelebb kerülnek egymáshoz, de bizonyos közelségben „taszítják” egymást. Emiatt van a madarak között egy „ideálisan minimális” távolság. A harmadik szabály, a másik pozitív visszacsatolási hurok, az igazítás, mellyel a madarak úgy módosítják az irányt, hogy az megfeleljen a szomszédjuk irányának.

Amikor egy csoport tagjai eldöntik, hogy melyik szabályok fontosak számukra, és mindenki elkötelezi magát azok betartása mellett, akkor rövidebb idő alatt, kevesebb energiával és néha kevesebb anyaggal sok mindent el lehet érni. Hollandia északi részén például vannak városok, amelyek eltávolították az összes közlekedési táblát, és „közös tereket” hoztak létre. Nincs konkrét út vagy gyalogos terület vagy kerékpársáv; minden közlekedő bárhová mehet. Első pillantásra kaotikusabb, de az emberek óvatosabbak és jobban odafigyelnek, így kevesebb a baleset. 

Kérdések a megbeszéléshez:

o   Szerinted milyen szabályok születhetnek ebből a helyzetből?

o   Milyen más helyeken segíthet ez a megközelítés… mondjuk az iskolában?

Ma már léteznek olyan robotok, amelyek egyszerű szabályok alapján képesek együttműködni. Ezek a robotok a rajok által ihletett algoritmusok segítségével programozhatók. Az autonóm mesterséges robotrajok kutatási és mentési küldetésekben, építési munkálatokban, környezeti kármentesítésben és orvosi alkalmazásokban használhatók fel.

Az önszerveződés másik példája a „Fogadj örökbe egy tűzcsapot” alkalmazás. Ezzel az alkalmazással a polgárok (azokban a városokban, ahol télen sok hó esik, pl. az USA-beli Minnesota államban) tűzcsapot fogadhatnak örökbe, és vállalhatják ezek tisztán tartását. A legtöbb városban az önkormányzatnak/tűzoltóságnak kell a tűzcsapokat hómentesen tartania. Ez azt jelenti, hogy bizonyos időközönként körbe kell menniük és ellenőrizniük kell, hogy hómentesek-e, és ha nem, ki kell takarítaniuk a környéket. Ez a „központosított” szervezési mód sok időbe és pénzbe kerül. Ha a polgárok átveszik a tűzcsapot és tisztán tartják azt, decentralizált és önszerveződő tevékenységgé válik, amely sok pénzt és időt takarít meg a tűzoltóságnak és az önkormányzatnak. Nem kell körbejárniuk és figyelniük, hogy hómentesek és használatra készek-e. Az emberek hajlandóak hómentesen tartani a tűzcsapokat, mivel tűz esetén ezekre számítanak.

Fontos megjegyezni, hogy az önszerveződés nem jelent teljes szabadságot. Bizonyos szabályok és határok betartása biztonságot teremt, így nagyobb lesz a cselekvési szabadság. Nézzük meg ezt a videót a híres játszótéri kísérletről. (Sajnos nincs magyar felirat hozzá. A lényege, hogy azon a játszótéren, ami be van kerítve, biztonságosabban érzik magukat a gyerekek, mint azon, ahol nincs kerítés, de épp ezért veszélyesnek is érzik.) Hasonló témáról ír ez a cikk.

Környezetismeret/Természettudomány

·         Megfigyelés fejlesztése

·         Életközösségek

Technika és tervezés (Technológia)

·          

Digitális kultúra (Mérnöki tudományok, mérnöki tudományok)

·         Az online és az offline környezet összehasonlítása

·         Információszerzés az e-világban

Vizuális kultúra (Művészetek)

·         Technológia és hagyomány

Matematika

·         Csoportos viselkedés megfigyelése

Kérdések a megbeszéléshez:

·         Milyen szabályok vannak az osztályban? Hány szabály van?

·         Ki hozza a szabályokat? Ki biztosítja a szabályok betartását?

·         Milyen egyszerű (belső) szabályokat használhatnának, hogy önszerveződéssel működjenek?

·         Milyen egyszerű szabályokkal tudná az osztály könnyebbé tenni az iskolai életet?

Magyar nyelven:

Hol alkalmazhatjuk a rajban mozgó állatokról szerzett tudásunkat? (tovább a cikkhez)

Önszerveződő közösségekben élő állatok tanítanak robotokat (tovább a cikkhez).

Időseket segítő, önszerveződő robotbútorok (tovább a cikkhez).

Angol nyelven:

Gyönyörű felvétel a rajban repülő seregélyekről (tovább a videóhoz - nyelvtudás nem szükséges!).

Egy másik videó a rajban működő összetartó erőkről (tovább a videóhoz).

Hogyan állítanak elő a tudósok rajban repülő robotokat? (tovább a cikkhez)

Érdekes felvételek a termeszek inspirálta robotok működéséről (tovább a videóhoz).