Ход буквой «Т», или Мудрость толпы

Недавно социальные сети облетело видео, на котором толпа муравьев пытается протащить громоздкий предмет через узкий проход. Муравьи мечутся, хватаясь то за одну сторону предмета, то за другую, и в конце концов пропихивают его в щель. Коллективный разум побеждает, зрители восхищаются сообразительностью муравьев. Однако немногие знают, что на этом видео зафиксирован фрагмент исследования, которое выполнили специалисты Научного института Вейцмана. О нем и пойдет речь.

Мы живем в эпоху роботизации. Заставить группу роботов выполнять какую-то совместную работу или просто прогнать их по сложному маршруту — непростая задача. Меж тем муравьи проблему взаимодействия решили давным-давно. Они совершают далекие совместные путешествия, строят жилища и дружно перетаскивают крупные предметы. При этом мозгового центра у них нет, муравьями управляет роевой интеллект, который позволяет группе выполнять задачи, недоступные одиночной особи (см. «Химию и жизнь» 2012 №5 и «Химию и жизнь» 2021 №5).

Инженеры нередко черпают вдохновение в природе. Так и получилось, что израильские физики, программисты и биофизики из Научного института Вейцмана под руководством профессора Офера Файнермана (Ofer Feinerman) обратились к живой муравьиной модели и предложили насекомым головоломку «перемещение пианино». Это классическая задача из области планирования движения и робототехники, которая рассматривает возможные способы перемещения объекта необычной формы — скажем, пианино — через загроможденное пространство.

В природе живые существа крайне редко что-то вместе перетаскивают. Из примерно 15 тысяч известных видов муравьев за этим занятием замечен всего 1%. Исследователи выбрали для работы широко распространенных черных, или длиннорогих, сумасшедших муравьев Paratrechina longicornis. Это мелкие муравьи длиной 2–3 мм с очень длинными ногами и антеннами. А «сумасшедшими» их назвали из-за свойственных им быстрых, хаотичных движений.

Кроме муравьев предметы сообща переносят только люди. У них, кстати, тоже есть роевой интеллект, который называют мудростью толпы. Мудрость эта проявляется в ситуации, когда несколько человек независимо собирают информацию и сообща ее осмысливают. В результате мозгового штурма они принимают решение, которое каждому из них в отдельности не пришло бы в голову, и оно бывает более верным, чем мнение эксперта-одиночки. Как же было не сравнить поведение муравьев и людей в аналогичной ситуации!

От перетаскивания пианино испытуемых избавили. Им предложили перенести Т-образную фигуру через арену, разделенную на три камеры двумя внутренними стенками. Получилась своего рода анфилада из трех комнат. Проходы (дверные проемы) во внутренних стенах были очень узкими, и ширина камер едва позволяла развернуться с громоздким предметом. Для муравьев фигуру напечатали на 3D-принтере, для людей сделали из красной пластиковой трубы.

Муравьи действовали поодиночке, небольшой группой, в которой меньше десятка насекомых, или группой примерно из 80 особей. Люди также работали в одиночку или группами по 6–9 или 26 человек. Размеры арены и фигуры масштабировали в зависимости от числа участников. Если группа муравьев не справлялась с задачей за 30 минут, попытку считали неудачной. Одиночным насекомым дали больше времени, потому что им трудно тащить груз полчаса без перерыва.

С людьми просто: им велели двигать предмет к выходу, они и двигают. Груз положили на магазинную тележку. Фигуры, предназначенные для группового перемещения, имели ручки, за которые их тянули.

К ручкам присоединили акселерометры, которые измеряли тяговое усилие, прилагаемое каждым человеком во время движения. Члены группы могли только тянуть груз, взявшись каждый за свою ручку. Одиночкам разрешалось ходить вокруг груза и не только тянуть его, но и толкать. Переворачивать фигуру боком, перелезать через нее или под ней нельзя.

С муравьями сложнее. Инструкций они не понимают. Чтобы заставить их выполнять задачу, арену соединили с муравьиным гнездом, а груз поместили в противоположном от входа конце. Его предварительно выдерживали в кошачьем корме и натирали консервированным тунцом. Муравьи прибегали на этот соблазнительный запах и волокли добычу в гнездо. Внутренние проходы в камере закрывали сверху поперечными перегородками, чтобы насекомые не переворачивали груз. Они, как и люди, могли только тянуть или толкать. Все действия испытуемых снимали на видеокамеру. Исследователи повторили эксперимент множество раз для каждой комбинации, затем тщательно проанализировали видеозаписи и все расширенные данные отслеживания, используя компьютерное моделирование и различные физические модели.

Груз в форме буквы Т нужно протащить через площадку, разделенную на три камеры. Оптимальное решение головоломки показано стрелками

По мнению ученых, головоломка трудна для обоих видов, хотя, разумеется, у нее есть оптимальное решение. Людям нужно мысленно оценивать длину предмета и повороты, необходимые для прохождения лабиринта. А стенки в нем непрозрачные, весь маршрут участникам не виден. Муравьям тоже нелегко, поскольку их общение во многом основано на феромонах, а феромоны в данном случае бесполезны: они не позволяют ни соотнести размер груза с шириной прохода, ни выбрать наилучшую траекторию движения, что делает бесполезной большую часть муравьиных навыков коллективной навигации. Чем больше ошибок делают испытуемые, тем больший путь им приходится проделать. Относительная длина пройденного пути и количество неудачных перемещений служат показателями эффективности.

Оказалось, что большие группы муравьев работают значительно лучше, чем одиночные муравьи и небольшие группы. Один муравей может решить задачу, но решение дается ему нелегко. Что касается людей, то одиночки достаточно легко справлялись с задачей, и объединение в группы не сильно улучшило результат.

Результаты муравьев исследователям понятны. Одиночные муравьи часто перехватывают груз, что случайным образом меняет направление его движения. Такое беспорядочное тырканье мешает муравью быстро достигнуть цели. Поведение малых групп напоминает поведение одиночных насекомых. Когда несомый ими груз сталкивается со стенкой, он теряет скорость, и когда движение возобновляется, груз часто меняет направление.

Большая группа муравьев не блуждает. Прицепившись к грузу, каждый член группы тянет его в направлении гнезда. Примерно через десять секунд он стремится выровнять свое тянущее усилие с направлением движения груза, то есть тянуть туда же, куда и большинство. Эта тенденция сильнее для групп больших размеров. Сталкиваясь с препятствием, муравьи не останавливаются и не отступают. Они продолжают напирать, и груз, который не может двигаться вперед, скользит вдоль стены, пока не попадет в щель и не пройдет через нее.

Большая группа муравьев хорошо решает задачи благодаря механической связи между насекомыми и высокой координации движений, которую обеспечивает постоянно движущийся груз. Такая тактика напоминает «правило правой руки», когда при входе в лабиринт решатель проводит правой рукой по стене и движется вперед, не меняя направления. Но муравьи нестрого следуют этому правилу: иногда они отходят от стены и сталкиваются с ней в новом месте, что позволяет им избегать бесконечных циклов. Иными словами, настойчивость больших групп позволяет успешно сканировать большие области стены и следовать кратчайшими путями. Одиночные насекомые и небольшие группы такой настойчивости не имеют и блуждают случайным образом, совершая бесполезный поиск и попадая в тупики. Решение проблемы часто требует методичной работы.

Люди подходят к этой задаче иначе. Поскольку у них нет полного представления о пространстве, которое предстоит преодолеть, они прибегают к тактике проб и ошибок. Сначала преодолевают один барьер, потом другой, но пытаются при этом двигаться кратчайшим путем. Одиночки справляются с этой задачей успешно. Что касается группы, она начинает работать не сразу. Сначала люди несколько десятков секунд договариваются, куда лучше двигаться, и лишь потом приступают к решению задачи.

Такие группы ведут себя подобно одному человеку и в большинстве развилок принимают то же решение, что и одиночки. Иногда группа выбирает одного или нескольких лидеров, и те ведут остальных, объясняя, куда двигаться дальше. В результате группы проходят лабиринт примерно с той же скоростью, что и отдельные люди, иногда чуть быстрее.

Муравьи и люди за работой. Справа выход, а у муравьев — дорога к гнезду

Однако же сравнивать человеческие группы с муравьиными некорректно, потому что муравьи в лабиринте не могут общаться привычным образом с помощью феромонов. И тогда исследователи уподобили людей муравьям, запретив им переговариваться. Им даже закрыли рот маской, а глаза темными очками, чтобы они не могли переглядываться, и приставили к участникам парочку наблюдателей, следивших за соблюдением правил. Теперь людям, как и муравьям, пришлось полагаться преимущественно на тактильные ощущения.

Не имея возможности совещаться, человеческие группы резко изменили поведение. Они начинали движение практически сразу, и, как только обозначалось направление, все члены группы стремились двигать груз в ту же сторону. Причем они были склонны двигаться кратчайшим путем и переть напролом даже там, где большинство одиночек выбирали непрямой путь. По мнению исследователей, люди, не имея возможности обмениваться информацией, дружно тянули ношу к ближайшему отверстию.

Согласно эмпирическим наблюдениям, люди склонны быстро достигать консенсуса, если дебаты невозможны. При этом они отказываются от личного мнения и следуют чужому не потому, что считают его наилучшим, а потому что данный вариант, по их мнению, выберут и другие. Выбрав вариант «прямо», группа может достичь быстрого согласия. Это решение кажется привлекательным в краткосрочной перспективе, но невыгодно в долгосрочной. Если попытка заводит в тупик, неудача становится не ошибкой лидера, а новым общим знанием, что облегчает согласие по следующему решению. Этот эффект группового мышления срабатывает даже в небольших группах.

Увы, когда люди в группе ведут себя подобно муравьям, их производительность снижается по сравнению с отдельными людьми примерно на треть. И никакой мудрости толпы группа не обнаруживает, что неудивительно: она проявляется лишь в случае, когда каждый ее член принимает независимое решение.

«Вот я, вот я превращаюсь в муравья!» Для человека это неудачный выбор, потому что на муравья он совсем не похож. Все муравьи используют одну и ту же тактику — стремятся к гнезду. Благодаря этой однородности группа муравьев действует согласно. Их совместное упорство превращается в кратковременную коллективную память, которая помогает сохранять определенное направление движения и избегать повторных ошибок. Физические и когнитивные способности группы превосходят возможности отдельных членов и позволяют добиться результатов, недостижимых для одиночного насекомого.

Человек когнитивно достаточно сложен, чтобы успешно решать поставленную задачу, но эта сложность приводит к межличностным различиям. Группы, состоящие из индивидуальностей, сложно координировать, что порой мешает их продуктивной работе. Консенсуса можно достичь, отказавшись от собственного мнения, и тогда появляется слаженность, но снижается производительность. Единственное спасение в этом случае — долгое обсуждение (именно обсуждение, а не взаимные оскорбления) или авторитетный и знающий лидер, за которым дружно идут все как один. Так что люди, хотя и социальные существа, для групповой деятельности не слишком подходят.

Вот так, начав с роботов, мы кое-что узнали о человеке.