物理

主集團之眼

視覺訊息決定自行車手的集體行為。

撰文/伯科威茲(Rachel Berkowitz)
翻譯/宋宜真

物理

主集團之眼

視覺訊息決定自行車手的集體行為。

撰文/伯科威茲(Rachel Berkowitz)
翻譯/宋宜真


成群的自行車手稱為「主集團」(peloton),他們的行為就像魚群或鳥群一樣,通常像是統一的整體。當許多個體參與簡單的小規模行為,就會呈現出有助於整體的集體模式。但在密集的群體中,我們並不清楚究竟是什麼決定了單一個體的行為。以往數學家和生物學家認為,主集團中自行車手的移動,主要由最佳化的空氣動力學決定,但新研究有不同的解釋。


美國海底作戰中心的貝爾登(Jesse Belden)和猶他州立大學的楚斯卡特(Tadd Truscott)發現,視覺輸入對選手在群體中的自我定位至關重要:車手會下意識地排列成菱形,這個行為能最佳化周邊視覺,幫助他們快速回應其他人的動作變化。


兩兩成對的車手前後緊隨可以節省最多能量。但是貝爾登說:「在主集團中,我們並沒有看到這種模式。空氣動力學只影響車群外緣,而只要你身處於主集團中,不論哪個位置都可以節省能量。」過去對蝗蟲和鳥類等動物的研究表明,視覺有助於塑造整個群體,但沒有解釋視覺如何塑造個體行為。為了找到答案,研究人員決定研究職業車手。


在研究環法自行車賽的空拍影片時,貝爾登、楚斯卡特和同事注意到兩種行為的連動效應,就如流體的漣漪傳播至整個主集團:其一是當車手剎車,其他車手就會減速避免碰撞;另一是車手會側向移動,以繞過障礙物或填補空隙。這些運動分別產生前後向及左右向的波動,傳播至主集團。左右向的波動傳播較慢,相當於對鄰近車手行為的反應速度;前後向的波動傳播較快,意味著車手可以預見前方兩位車手的動作所造成的改變而加以反應。


這些波動現象顯示,主要影響個別車手行為的是視覺,車手會讓鄰近車手保持在對運動最靈敏的周邊視覺範圍內。車手的目標除了比賽終點,短期最主要的目標就是避免碰撞,他們會讓自己維持在能夠專注於前方狀況的位置,同時與兩側的車手保持距離。


研究成果於去年11月美國物理學會(APS)流體力學學門的第71屆年會上發表。研究團隊表示,這項成果可以解釋動物的集體行為,也有助於優化擁擠空間出口的設計,或是應用在自動機器人群體的電腦程式。