作者:唐凤 来源:中国科学报 发布时间:2021/8/25 9:28:26
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嘘,别惹蚂蚁!
研究揭示蚁穴背后复杂物理学

 

在蚂蚁挖隧道之前,土壤中颗粒之间的力链是随机排列的(左),但当蚂蚁挖隧道时,力链会重新排列。图片来源:美国加州理工

 研究人员站在蚂蚁穴模型旁边。图片来源:美国加州理工

卢卡斯在欺负小蚂蚁时,他看到的只是草坪上冒出来一个小土堆,中间有一个小洞,几只蚂蚁忙着四处乱爬。蚁丘看上去不是很厉害。

但当卢卡斯被神奇药水缩小,来到地表之下,一个神奇的蚂蚁地下王国展现在了他眼前。隧道向下延伸,不断分支并通向专门空间:蜂王的家、幼蜂的温床、食物储藏间、垃圾站等等。25英尺的地下,在没有机械和加固材料的情况下,蚂蚁建造了一个能容纳数百万同伴的家园,并能维持数十年。

现在,利用X成像和计算机模拟,美国研究人员揭开了蚂蚁是如何建造这些复杂而稳定结构的。相关论文刊登于美国《国家科学院院刊》。

有“想”才做

蚂蚁“知道”如何挖隧道吗,还是它们只是盲目地挖?加州理工学院的José Andrade一直有这个疑问。

但Andrade是一名工程师,对蚂蚁“一窍不通”,所以他求助了该校生物学和生物工程助理教授Joe Parker,后者的研究重点是蚂蚁及其与其他物种的生态关系。

Parker说:“Andrade团队需要一个研究蚂蚁的人,深入了解这些群居昆虫的适应性和集体行为,为弄清其挖掘行为机制提供一些生物学信息。”

《中国科学报》从加州理工学院获悉,研究人员花费了近1年培养蚂蚁,并了解它们。他们不仅需要繁殖足够多的蚂蚁进行研究,还需要进行大量的试验。

研究人员在一个容器中建立了小型蚁群,容器中装有500毫升土壤和15只西部收工蚁。每隔10分钟,高分辨率x射线扫描就会捕捉到每一只蚂蚁和每一粒土壤的位置,每次试验持续20小时。

“蚂蚁有点反复无常,它们想挖才挖。”Andrade告诉记者,“我们把蚂蚁放在一个容器里,有些蚂蚁会马上开始挖掘,并会取得惊人的进展。但有些可能要花上几个小时,甚至根本不挖。有些蚂蚁会挖一会儿,然后停下来休息一下。”

但一旦蚂蚁开始行动,研究人员就会对整个过程进行x光扫描,从而生成所有内部隧道的三维扫描图。研究人员可以借助扫描结果创建模拟,显示蚂蚁在隧道越来越深时能取得的进展。

蚂蚁也懂物理学

接下来,研究人员开始分析蚂蚁的实际工作是什么。

他们发现,首先,蚂蚁会尽可能地提高效率,它们会沿着容器的内边缘挖掘,因为容器本身能充当隧道结构的一部分,从而能减少工作量。

它们还把隧道挖得尽可能直。“因为直线是两点之间最短的路径。而且,它们懂得利用容器的侧面,这表明蚂蚁的工作非常高效。”Andrade说。

蚂蚁们也会尽可能地挖出陡峭的隧道,一直挖到所谓的静止角。这个角度代表了颗粒材料在崩塌前可以堆积的最大角度。

什么是静止角?Andrade提到,想象在海滩上建造一个沙堡。如果用的是干沙子,加进去的每一勺沙子都会顺着已经堆好的沙子滑下去。更多的沙子会使堆得更高、更宽,但它永远不会变得更陡。另一方面,如果使用湿沙,就能够把沙堆得足够陡峭,以建造墙、塔和沙堡等。

湿砂比干砂有更高的静止角,蚂蚁能分辨出挖洞时的角度能有多陡,而且不会超过这个角度。“如果我是一名挖掘者,我要活下来,我的挖掘技术必须符合物理定律,否则隧道就会坍塌,我就会死。”他说。

最后,蚂蚁隧道的物理原理是这样的:当蚂蚁移走土壤颗粒时,它们会导致隧道周围称重力链的重新排列。这些力链在蚂蚁开始挖掘之前是随机的。重新排列后,力链一方面加固了隧道现有的土壁,同时减轻了位于隧道末端的颗粒承受的压力,使蚂蚁更容易安全地移走它们。

“在工程学和蚂蚁生态学中,蚂蚁如何构建这些持续数十年的结构一直是个谜。”Parker说,“事实证明,蚂蚁在挖掘时受益于这些环向力链。”

超级有机体

回到开头的那个问题:蚂蚁在挖的时候知道自己在做什么吗?

实际上,有人曾把熔化的塑料或金属倒进蚁巢,凝固成模型后,人们就能看到这些巨大的隧道系统。“这些系统令人印象深刻。我曾看到一张模型照片,模型旁边是一个人,我想‘天哪,这真是一个奇妙的结构。’从那以后,我开始怀疑蚂蚁是否‘知道’如何挖掘。”Andrade说。

但是,人们没有办法询问蚂蚁,于是,研究人员一开始就假设蚂蚁有意识地在泥土中摸索,寻找松散的土粒以便移走。这就像抽积木游戏,玩家需要选择哪块积木能安全取出来。而那些无法移开的石块,也就是蚂蚁建筑的承重“梁柱”(即力链)的一部分。

“一开始,我们假设蚂蚁可以感觉到这些力链,并避免在那里挖掘。它们可能在不停地敲打土壤颗粒,以评估施加在这些颗粒上的机械力。”Andrade告诉记者,“但后来,我们发现,它们似乎并不‘知道’自己在做什么。它们没有系统地寻找沙子中的薄弱点。相反,它们可能是根据物理定律进化出了挖掘能力。”

Parker将这称为行为算法。“这种算法并不存在于一只蚂蚁身上。”他说,“所有工蚁的群体行为就像一个超级有机体。这种行为程序是如何在所有这些蚂蚁的小大脑中传播的,这是自然界的一个奇迹,我们无法解释。”

Andrade希望开发一种人工智能方法,可以模拟这种行为算法,这样他就可以在电脑上模拟蚂蚁是如何挖掘的,并将蚂蚁的挖掘能力用于建造人类隧道。

“与流体或固体等材料相比,颗粒材料的形成方式不同。而且,移动颗粒状材料是非常耗能的,而且成本非常高昂。”他说,“如果蚂蚁的行为算法能够被进一步分析并最终复制,那么就可能在自动采矿机器人上得到应用,无论是在地球上还是在其他行星上,机器人就能更有效地工作。”

所以说,别惹蚂蚁。

相关论文信息:https://doi.org/10.1073/pnas.2102267118

 
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