研究揭示蚁穴背后的物理学原理

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。

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

　　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。

　　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。”

　　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，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。”

　　所以，别惹蚂蚁。

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