火蚁挖掘行动带来的重要启发

作者：Rachel Berkowitz

编译：袁瑜

图片来源：https://physicstoday.scitation.org/

火蚁 ( Solenopsis invicta ) 与大多数蚂蚁一样，共同努力挖掘地下复杂的隧道网络。研究人员使用昆虫群落作为模型，了解数百个人在狭窄、拥挤的环境中工作时，如何避免造成交通拥堵。现在，佐治亚理工学院的研究人员发现，个别工人遵循违反直觉的规则来挖掘集体的早期隧道。

丹尼尔·戈德曼、杰弗里·阿吉拉尔和同事拍摄了 30 只火蚁，每只火蚁都涂上了不同的颜色以供识别。火蚁在密封透明容器中的潮湿土壤中挖掘隧道，如上图所示。研究人员观察到，任何时候都只能挖出三到五只蚂蚁；事实上，30% 的蚂蚁完成了 70% 的工作。当火蚁在前往隧道的途中遇到哪怕是很小的交通拥堵时，它们也不会收集任何土壤并立马撤退。

该团队使用交通流量模型作为指南，来模拟蚂蚁挖掘隧道的情形。在交通工程师使用的流量模型中，过多的汽车会造成交通堵塞，而过少的汽车则无法维持稳定的流量。中间临界数量的汽车使交通流量最大化。同样，当遵循类似于生物学实验中观察到的优化分工时，火蚁能以最大效率移动，并不受干扰。

模拟捕获了群体行为。为了研究单个火蚁的策略，研究人员建造了如下所示的机器人，旨在挖掘一个充满塑料球的三个机器人宽的通道。每个胶囊状的机器人都进入通道，舀起一个球，然后将球带回入口。戈德曼及其同事发现，最多可以三个机器人同时进行挖掘，但增加第四个机器人会导致堵塞停滞。通过编程机器人在遇到延迟时撤退，就可以减轻堵塞效应并优化系统以实现高交通流量和低能耗。即便如此，相对笨拙的机器人也无法与蚂蚁的表现相匹敌。

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这种发现可以帮助科学家开发出在密闭空间内执行任务的机器人群，例如在血液中携带药物或在灾难废墟中搜索。

文章来源：https://physicstoday.scitation.org/do/10.1063/PT.6.1.20180904a/full/