蚂蚁当选最有韧性“工程师”，数十年挖掘只为打造几米长的“地下城堡”

蚂蚁可以承受超出它们自身体重 50 倍的重量，这等同于人类可以举起一辆汽车！这听起来相当不可思议，但人类其实还是低估了蚂蚁的力量。

事实上，蚂蚁还是一位颇有天赋的“工程师”。为打造可供数百万族群生活的家园，蚂蚁通常会深达地下 25 英尺，并进行持续数十年的挖掘工作。这也是我们总可以在沙地或者草丛中看到蚂蚁们忙碌不休的原因。

动图 | 蚂蚁挖掘地下隧道（来源：YouTube 截图）

近日，加州理工学院的研究团队通过研究蚂蚁的挖掘习性，发现了蚂蚁如何建造拥有稳定结构的“地下城堡”的背后真相，并揭示了引导它们的行为算法机制。
图 | 相关论文（来源：PNAS）

相关研究成果以论文的形式发表在 PNAS，该论文以《挖掘实时 3D 蚂蚁隧道力学》（Unearthing real-time 3D ant tunneling mechanics）为题，由加州理工学院土木和机械工程教授何塞·安德拉德（José Andrade）担任通讯作者。

最稳固的 “地下城堡” 之一

蚂蚁的“地下城堡”为什么不会坍塌？一直是工程学和蚂蚁生态学里悬而未决的重要疑问。

为了探究蚂蚁挖掘行为的背后机制，安德拉德团队在一个装有 500 毫升土壤和 15 只西方收获蚁（Pogonomyrmex occidentalis ）的容器中建立了微型蚁群。然后通过高分辨率X射线每 10 分钟扫描一次，在长达 20 个小时的时间里持续对每只蚂蚁和每粒土壤的位置进行观察。

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通过长时间的观测，研究人员准确掌握了蚂蚁挖掘的地下隧道的各种细节，以及被蚂蚁搬动过的每粒土壤颗粒的移动轨迹，该团队借此创建了一个计算机模型，以了解作用在地下隧道上的力。

在这个模型中，该团队重新创建了每个土壤颗粒的大小、形状和方向。除此之外，通过这个模型，该团队可以精确计算每个颗粒受到的包括重力与摩擦力在内的各种力的方向和大小。

最终，安德拉德团队通过实验测试发现，当蚂蚁挖掘地下隧道时，会在土壤中形成一道弧形门户，该团队将其称为 “拱门”。该拱门的直径大于隧道本身，从而减少了作用在拱门内土壤颗粒上的载荷，而蚂蚁正在此处建造隧道。

当蚂蚁清除土壤颗粒时，它们会巧妙地导致隧道周围的力链重新排列，形成一种类似茧或衬垫的保护膜，极大地减轻蚂蚁搬运颗粒的压力。因此，蚂蚁可以轻松去除这些颗粒以延长隧道，而不会造成塌陷。与此同时，拱门还使隧道变得更加坚固与耐用。
图 | 蚂蚁挖隧道前后，土壤颗粒之间作用力的排列对比（来源：加州理工学院）

此外，蚂蚁倾向于向下挖掘相对笔直的隧道，形成一个大概 40 度左右的倾斜角，这种隧道可以凭借坡度，让颗粒材料自然下降。而且蚂蚁还会挑选正确的谷物用以在上方保护拱形。

“我们曾天真地认为蚂蚁可能在玩叠叠乐，事实上它们可能在摆动谷物，甚至可能正在抓住阻力最小的谷物。”安德拉德说道。

蚂蚁正在遵循一种与生俱来的行为算法

“我们发现它们似乎并不‘知道’自己在做什么，这些蚂蚁没有系统地寻找土壤或者谷物颗粒中的软点。相反，它们进化到根据物理定律进行挖掘。”安德拉德表示。

该团队认为，蚂蚁以一种偶然的方式发现了一种先进的挖掘技术，这种方式不仅符合物理定律，而且效率极高。但蚂蚁本身其实对该能力一无所知，只是在遵循一种随着时间的推移而演变的非常简单的行为算法。

论文中提到，“该算法并不只存在于一只蚂蚁中，而是所有忙碌的蚂蚁们突如其来的群体行为，就像一个超级有机体。但这种行为程序如何在所有蚂蚁的微小大脑中传播，尚是一种难以解释的自然世界的奇迹。”

安德拉德在接受媒体采访时指出，希望接下来研究出一种可以模拟该种行为算法的人工智能方法，这样他就可以在计算机上模拟蚂蚁的挖掘方式。

“模拟的一部分将确定如何为人类大小的隧道扩展蚂蚁物理学。与流体或固体等其他材料相比，颗粒材料的缩放方式不同，通过缩放晶间摩擦系数，届时研究人员可以从晶粒尺度到米尺度进行实验。”安德拉德介绍道。

该团队认为，无论是在地球上还是在其他行星体上，采矿业务对人类来说总是存在难以预料的危险。如果可以进一步分析并最终复制行为算法，不久后或许会出现替代人类去挖掘隧道的机器人蚂蚁。

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参考：

https://www.newscientist.com/article/2287862-ants-use-soil-physics-to-excavate-metre-long-tunnels-that-last-decades/

https://phys.org/news/2021-08-science-ants-underground-cities.html

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