Škorce - samoorganizácia

Škorce (a iné vtáky, mravce, ryby a termity) sa riadia jednoduchými pravidlami na koordináciu skupinového správania bez toho, aby ich niekto riadil.

Pravdepodobne ste už videli, ako sa na oblohe húfne hmýria vtáky. Zamysleli ste sa niekedy nad tým, ako vedia, kam majú letieť? Kto je ich šéfom? Vtáky, ako napríklad škorec obyčajný, tvoria kŕdle pozostávajúce z tisícov jedincov, ktoré sa pohybujú zdanlivo koordinovaným spôsobom. Mravce hľadajúce a zháňajúce potravu z veľkej vzdialenosti od svojich hniezd vytvárajú diaľnice jedincov. Termity si zasa stavajú hniezda podobné mrakodrapom, ktoré regulujú vnútornú teplotu a sú domovom miliónov jedincov. Všetky tieto typy správania sa uskutočňujú bez dozerajúceho „vodcu“, neexistuje jediný jedinec zodpovedný za koordináciu ostatných. Ako to robia?

Zažite silu samo-organizácie na vlastnej koži.

Vezmite svoju skupinu von (alebo do interiéru, potrebujete však dostatok priestoru na pohyb) a demonštrujte silu samo-organizácie prostredníctvom jednotlivcov, ktorí sa riadia jednoduchým súborom pravidiel. Aktivitu môžete realizovať s 15 alebo viac (až 150) účastníkmi. 

Najprv uveďte kontext: požiadajte všetkých, aby sa postavili do kruhu. Vysvetlite skupine, že táto aktivita pozostáva z troch kôl a že po každom kole urobíte prestávku na diskusiu. Skupine tiež povedzte, že všetky tri kolá sa uskutočnia bez rozprávania a vymedzte hranice priestoru, v ktorom sa bude cvičenie odohrávať (kam môžu ísť).

• Časť 1: Najprv požiadajte všetkých, aby si náhodne vybrali dve osoby - osobu A a osobu B, bez toho, aby povedali alebo naznačili, koho si vybrali. Osoba A je predátor a osoba B je štít. Požiadajte účastníkov, aby sa pohybovali tak, aby vždy držali osobu B medzi sebou a osobou A - aby ich osoba B chránila pred osobou A. Všetci sa budú zdanlivo náhodne motať a čoskoro sa začnú pýtať, na čo to vlastne robia. Keď sa tak stane, požiadajte ich, aby prestali. 
• Opýtajte sa účastníkov: čo ste robili? Čo si myslíte, mohlo by to trvať donekonečna? Čo keby priestor nebol ohraničený?
• Časť 2: Teraz ich požiadajte, aby sa vrátili do kruhu a vybrali dve osoby bez toho, aby im to povedali. Opäť je to osoba A a B. Tentoraz sú ochrancom oni sami, takže sa musia pohybovať tak, aby sa po celý čas udržali medzi A a B. Výsledky sú zarážajúce, všetci sa zhluknú do tesného uzla.
• Opýtajte sa účastníkov: čo sa to stalo, a prečo? Ako sa taká malá zmena pravidiel môže prejaviť úplnou zmenou organizácie pohybu účastníkov?
• Časť 3: Nakoniec požiadajte všetkých, aby sa vrátili do kruhu. Každý si opäť náhodne vyberie dvoch jednotlivcov - osobu A a osobu B, bez toho, aby uviedli, koho si vybrali. Potom požiadajte účastníkov, aby sa rozmiestnili tak, aby mali rovnakú vzdialenosť k osobám A a B. Účastníci sa pohybujú dovtedy, kým sa to nepodarí všetkým. V určitom okamihu (prekvapivo rýchlo, a to aj pri skupinách nad 60 ľudí) sa dosiahne rovnováha.
• Opýtajte sa účastníkov: čo sa stalo, prečo? Čo by sa stalo, keby sme vytvorením tohto systému poverili jednu osobu?

Tak ako pri tejto aktivite, aj pri kŕdľoch vtákov platí niekoľko jednoduchých pravidiel. Každý vták sa riadi tromi jednoduchými pravidlami. Pravidlá sú: 1) priblíž sa čo najbližšie, 2) dodržuj (určitú) vzdialenosť, 3) choď rovnakým smerom ako susedné vtáky. Pravidlá 1 a 2 sú „vyvažovacie“ pravidlá. Bez pravidla č. 2 by sa vtáky mohli navzájom zrážať a bez pravidla č. 1 by sa mohli dostať príliš ďaleko od seba. Okrem toho, že majú pravidlá a všetky vtáky im rozumejú, dôležité je aj to, aby každý vták vždy videl, že iní dodržiavajú pravidlá. 

V druhom kole sa zmenilo len jedno pravidlo. Malo však veľký vplyv. Každý totiž teraz musí byť v strede (medzi bodmi A a B) a preto sa všetci zhromaždia uprostred. 

Škorce dokážu zvládnuť túto náročnú akrobaciu pomocou niekoľkých jednoduchých pravidiel. Pozorne sledujú rýchlosť a smer ostatných škorcov vo svojom okolí. Škorce však nevenujú pozornosť všetkým ostatným vtákom v kŕdli naraz. Škorcovi stačí venovať pozornosť pohybom siedmich ďalších škorcov, ktoré sú k nemu najbližšie.

Podrobnejšie vysvetlenie

Ak škorce venujú pozornosť menej ako siedmim susedom, potom nemajú dostatok spoľahlivých informácií na to, aby dokázali v rámci kŕdľa udržať správny smer letu. Ak je ich viac ako sedem, informácií je príliš veľa na to, aby ich dokázali dostatočne rýchlo spracovať a rozhodovať sa podľa nich. Ukázalo sa, že sedem susedov je ideálny počet bez ohľadu na to, aký veľký alebo hustý je kŕdeľ. Jednoduché pravidlá, ktoré používajú, súvisia so vzdialenosťou (nie príliš ďaleko od siedmich ďalších škorcov, ale ani nie príliš blízko nich - aby sa predišlo kolíziám) a so smerom (zamieriť rovnakým smerom ako sedem ďalších v blízkosti).

Samo-organizované biologické systémy pracujú s pozitívnymi a negatívnymi spätnými väzbami. Pozitívnu spätnú väzbu možno vysvetliť ako „pokračuj v tom“ a negatívnu spätnú väzbu ako „prestaň s tým“. Spätné väzby často fungujú vo vzájomnej súčinnosti. Systémy spätnej väzby sa prejavujú v súbore pravidiel, ktorými sa riadi jednotlivec.

Napríklad rojenie vtákov možno modelovať tak, že sa jednotlivci budú riadiť tromi pravidlami alebo dvoma pozitívnymi a jednou negatívnou spätnou väzbou. Prvým je súdržnosť, pozitívna spätná väzba, pri ktorej sa jedince navzájom priťahujú. Čím väčšia je skupina alebo čím bližšie sú si jednotlivci, tým väčšia je príťažlivosť. Druhá, separácia, je negatívna spätná väzba, ktorá obmedzuje prvú. Jednotlivé vtáky sa síce navzájom priťahujú, ale v určitej blízkosti sa odpudzujú. Vtáky majú preto medzi sebou preferovanú minimálnu vzdialenosť. A napokon posledným pravidlom je zosúladenie, ktoré je pozitívnou spätnou väzbou. Vtáky menia svoj smer tak, aby zodpovedal smeru ich suseda.

Keď sa členovia skupiny rozhodnú, ktoré pravidlá sú pre nich dôležité, a všetci sa zaviažu ich dodržiavať, dá sa veľa dosiahnuť za kratší čas, s menším množstvom energie a niekedy aj materiálu. Napríklad v severnej časti Holandska sú mestá, ktoré odstránili všetky dopravné značky a vytvorili „spoločné priestory“. Neexistuje tu žiadna vyhradená cesta pre autá, zóna pre chodcov alebo cyklistický pruh; všetci účastníci premávky môžu ísť kamkoľvek. Na prvý pohľad je to chaotickejšie, a preto sú ľudia opatrnejší a dávajú väčší pozor, čo vedie k menšiemu počtu nehôd.

Otázka na diskusiu: „Aké pravidlá by podľa vás mohli vyplynúť z tejto situácie? Kde ešte by tento prístup mohol pomôcť... napadá vám prípad v školskom prostredí?“

V súčasnosti existujú roboty, ktoré dokážu spolupracovať na základe jednoduchých pravidiel. Tieto roboty možno naprogramovať pomocou algoritmov inšpirovaných rojením vtákov. Tieto autonómne umelé roje robotov majú potenciálne využitie pri pátracích a záchranných misiách, stavebných prácach, sanácii životného prostredia a v medicíne.

Ďalším príkladom samo-organizácie je mobilná aplikácia Adopt-a-fire-hydrant. Pomocou tejto aplikácie si môžu občania (v mestách, kde je v zime veľa snehu) adoptovať požiarny hydrant a zaviazať sa, že ho budú udržiavať a čistiť. Vo väčšine miest je to obec/požiarny zbor, ktorý musí udržiavať požiarne hydranty bez snehu. To znamená, že musia jazdiť okolo, kontrolovať, či sú bez snehu, a ak nie, začať ich čistiť. Ako si viete predstaviť, tento „centralizovaný“ spôsob organizácie stojí veľa času a peňazí. Tým, že si občania adoptujú hydrant a udržiavajú ho čistý, stáva sa z toho decentralizovaná a samo-organizovaná činnosť, ktorá hasičskému zboru a miestnej samospráve ušetrí veľa peňazí a času. Už nie je potrebné jazdiť po okolí a monitorovať, či sú hydranty bez snehu a pripravené na použitie. Ľudia sú ochotní udržiavať hydranty bez snehu, pretože sú na nich závislí v prípade požiaru.

Dôležité je poznamenať, že samo-organizácia nie je úplná sloboda. Existencia určitých pravidiel a hraníc vytvára bezpečie, ktoré vedie k väčšej slobode konania. Pozrite si toto video o experimente na detskom ihrisku.

Opýtajte sa študentov, aké pravidlá platia v ich skupine. Koľko ich je? Kto vytvára pravidlá? Kto zabezpečuje dodržiavanie pravidiel? Aké jednoduché pravidlá by mohli používať a riadiť sa nimi prostredníctvom samo-organizácie, aby mohli niektoré z pravidiel vynechať? Aké jednoduché pravidlá by mohla vaša trieda vymyslieť, aby všetko prebiehalo hladšie?

Možné prepojenia na vyučovaciu metodiku STE(A)M:

• Používanie logického uvažovania na predvídanie jednoduchého správania.
• Systémové inžinierstvo: Kolektívna inteligencia, mechanizmy tímovej spolupráce. Formy a spôsoby komunikácie.
• Matematika, fyzika: Efektívne algoritmy a komunikácia.
• Udržateľnosť, ekológia: Rýchla reakcia na zmeny.
• Umenie - design: Využitie analógie biologického a digitálneho konceptu v umení.
• Pozorovanie a kladenie otázok o tom, ako sa rôzne organizmy prispôsobujú. Akými mechanizmami.
• Analyzovanie výhod a nevýhod rôznych prispôsobení.
• Pochopenie použitej sekvencie, výberu a opakovania v programoch.
• Použitie logického uvažovania na vysvetlenie, ako fungujú jednoduché algoritmy.

• Napadá vám nejaký príklad, kedy ľudia dobre fungujú ako tím bez toho, aby ich niekto organizoval?
• Napadajú vám nejaké "zlepšováky", inšpirované samo-organizáciou skupinového správania zvierat či ľudí?
• Akým mechanizmom menia kŕdle škorcov smer svojho letu, ak nemajú jedného "vodcu"?

• Pozrite si toto video s húfom škorcov Flight of the Starlings.
• Prečítajte si, ako vedci vytvárajú rojace sa roboty Programmable Robot Swarms.
• Video ukazuje, ako termity inšpirujú robotický stavebný tím Designing Collective Behavior in a Termite-Inspired Robotic Construction Team.