研究揭示蚁穴背后的物理学原理
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▲在蚂蚁挖隧道之前 ， 土壤颗粒之间的力链是随机排列的（左） ， 但当蚂蚁挖隧道后 ， 力链会重新排列 。
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▲研究人员站在蚂蚁穴模型旁边 。 图片来源：美国加州理工学院
■采访人员 唐凤
在卡通片《别惹蚂蚁》中 ， 卢卡斯欺负小蚂蚁时看到的只有草坪上冒出来的一个小土堆 ， 中间有一个小洞 ， 几只蚂蚁四处乱爬 。 蚁丘看上去很普通 。
但当卢卡斯被神奇药水缩小后 ， 一个蚂蚁地下王国展现在他眼前 。 隧道向下延伸 ， 不断分支并通向专门的空间：蚁后的家、幼蚁的温床、食物储藏间、垃圾站等 。 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 。
【力链|嘘，别惹蚂蚁！】现在 ， 利用X成像和计算机模拟技术 ， 美国研究人员揭开了蚂蚁如何建造这些复杂而稳定的结构 。 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Jos Andrade一直有这个疑问 。
但Andrade是一名工程师 ， 对蚂蚁“一窍不通” ， 所以他求助于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 ， 以便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 ， 研究人员花了近1年时间培养并了解蚂蚁 。 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只西方收获蚁 。 每隔10分钟 ， 高分辨率X射线扫描装置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 ， 它们想挖就挖 。 ”Andrade告诉采访人员 ， “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 。 ”
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型 ， 显示蚂蚁随着隧道越来越深取得的进展 。
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 ， 从而减少工作量 。
它们会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 。 更多的沙子会使沙堆更高、更宽 ， 但永远不会变得更陡 。 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 。
湿沙比干沙有更高的静止角 ， 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 ， 如果要活下来 ， 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 。
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承重力链的重新排列 。 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 ， 同时减轻了隧道末端颗粒承受的压力 ， 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：蚂蚁在挖洞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 ， 当它们凝固成模型后 ， 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 ， 旁边有一个人 。 我在想 ， ‘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 ， 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告诉采访人员 ， “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 ， 蚂蚁可能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蚂蚁的大脑中传播的 ， 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 。 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——无论在地球还是其他行星上 ， 机器人都能更有效地工作 。 ”
[责任编辑: 武玥彤 ]
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