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Modeling the effects of Interaction Network in Ant Colony inferred by Video Tracking System in Dynamics of Task Allocation

Research Project

Project/Area Number 22K17971
Research Category

Grant-in-Aid for Early-Career Scientists

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Basic Section 61040:Soft computing-related
Research InstitutionMeiji University

Principal Investigator

白石 允梓  明治大学, 研究・知財戦略機構(中野), 特任准教授 (20632144)

Project Period (FY) 2022-04-01 – 2026-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2025: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Keywords自己組織化 / 社会性昆虫 / ネットワーク / 二次元トラッキング / 分業 / 数理モデル / 行動解析
Outline of Research at the Start

アリのコロニーには指示を出すリーダーはいないにも関わらず、個々の自律的な判断に基づき様々な環境変動に対応しながら、コロニー内で役割を分業させ協働した採餌や清掃、巣の構築、防衛行動をとることで繁栄を遂げてきた。分業しながら協働行動を成立させるために必要になるのは個体間のコミュニケーションである。本研究では、分業が行われる基礎的なメカニズムの解析を目的に、動画像解析による個体間相互作用のネットワーク構造を定量化して、ネットワーク構造を組み込んだ分業メカニズムの数理モデルを構築する。実験と理論モデルの両面から、効率的な自己組織化メカニズムの一端を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

本年度の研究では、QRコードによる二次元計測システム開発の前進に加えて、RFID(近赤外線個体識別タグ・リーダー)計測システムで得られているデータ解析と、前年度までに一部遅れていた実験データの取得方法の改良を進めることができた。相互作用ネットワーク情報を取得に必要な基礎的なアリの行動特性の把握と、計測システムの構築を着実に進めることができた。また、共同研究者と大規模なデータ解析を進めるために、構築している計測システムをさらに改良し継続的に安定した計測を可能にするシステムの構築に取り組んでいる。
数理モデルによる理論研究では、アリを含む社会性昆虫の労働分業を説明する数理モデルである反応閾値モデルは、概念として大きな成功を収める一方で実際にどんな物理量が定量化できてワーカーの行動に関係しているのか明らかになっていない。アリの社会性行動のメカニズムを、これまでにも行ってきたRFIDシステムによる計測データの解析を共同研究者と進めた。アリのコロニー内で空間的に限られたゲート通過情報の時系列データに対する統計解析を行い、統計的性質からコロニー全体の統計的性質が独立した確率過程の個体行動だけでは説明されず個体同士の高次の相互作用が有意に影響を与えていることを示した。直接的な個体間相互作用の計測ではないが、間接的にも個体間相互作用がアリのコロニーにおける自己組織的集団行動の制御していることが明らかになった。また、初年度に報告した相互作用ネットワークを導入した反応閾値モデルでは限られたネットワーク構造だったものをより広範なタイプのネットワークを組み込んだモデルの解析を進めている。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

クロオオアリによる行動計測では相互作用ネットワーク情報を取得に必要な基礎的なアリの行動特性の把握と、計測システムの構築を着実に進めることができた。飼育環境下でのクロオオアリの行動特性は、餌場が狭いと行動が抑制されやすいため、前年度と比較してより長期間に渡って巣の入口付近での行動を計測することでより高頻度の相互作用情報を計測する方針を得たことで、個体間相互作用の情報を解析する指針が得られたため。

Strategy for Future Research Activity

得られつつある実験計測データを元にした数理モデルとの比較研究を進めていく。データの質はまだ完全に保障されていないため、先行研究によるミツバチの情報伝達ネットワークの解析データを元にした、社会性昆虫が持つ普遍的な個体間相互作用の解析を同時に進めていく。また、基本的なネットワーク構造の解析のみであった数理モデルをさらに拡張して、理論研究を進めていく。

Report

(2 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (9 results)

All 2023 2022

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 3 results) Presentation (6 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results)

  • [Journal Article] Characteristics of daily foraging activity of Camponotus japonicus via time series analysis2023

    • Author(s)
      Goko Hiromichi、Yamanaka Osamu、Shiraishi Masashi、Nishimori Hiraku
    • Journal Title

      PLOS ONE

      Volume: 18 Issue: 11 Pages: 293455-293455

    • DOI

      10.1371/journal.pone.0293455

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Effect of interaction network structure in a response threshold model2022

    • Author(s)
      Shiraishi Masashi、Yamanaka Osamu、Nishimori Hiraku
    • Journal Title

      Artificial Life and Robotics

      Volume: 27 Issue: 4 Pages: 743-750

    • DOI

      10.1007/s10015-022-00791-6

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Ants Alter Collective Behavior After Feeding and Generate Shortcut Paths on a Two-Dimensional Foraging Area2022

    • Author(s)
      Yamanaka Osamu、Oki Yusuke、Imamura Yuta、Tamura Yukari、Shiraishi Masashi、Izumi Shunsuke、Awazu Akinori、Nishimori Hiraku
    • Journal Title

      Frontiers in Physics

      Volume: 10 Pages: 896717-896717

    • DOI

      10.3389/fphy.2022.896717

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Task Allocation of an ant colony generated by the response threshold model, which has an internal interaction network structure2023

    • Author(s)
      Masashi Shiraishi Osamu Yamanaka, and Hiraku Nishimori
    • Organizer
      Dynamics Days Europe 2023
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Effect of Interaction Networks among Workers for Task Allocation in A Response Threshold Model2023

    • Author(s)
      Masashi Shiraishi Osamu Yamanaka, and Hiraku Nishimori
    • Organizer
      STATPHYS28
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Autonomous Workload Compensation in Ant Colonies2023

    • Author(s)
      Hiraku Nishimori, Masashi Shiraishi, and Osamu Yamanaka
    • Organizer
      STATPHYS28
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 反応閾値モデルにおける働きアリ同士の相互作用ネットワークによる分配効果2022

    • Author(s)
      白石允梓
    • Organizer
      日本物理学会2022年度秋季大会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] Effect of Interaction Network Structure in Response Threshold Model2022

    • Author(s)
      Masashi Shiraishi, Osamu Yamanaka, Hiraku Nishimori
    • Organizer
      Roles of Heterogeneity in Nonequilibrium Collective Dynamics 2022
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] アリの個体間相互作用による労働量分配メカニズム2022

    • Author(s)
      白石允梓
    • Organizer
      非平衡・多階層・複雑系研究会
    • Related Report
      2022 Research-status Report

URL: 

Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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