@ 2017.08.11 , 21:00
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火蚁如何形成塔形或者筏子

将一堆5000只火蚁扔到水塘中。过几分钟这一堆火蚁就会变平,扩展为圆形薄饼的形式,可以漂浮几周而不被溺死。

同样将一堆火蚁扔到平地上的植物附近,他们就会在植物茎干周围叠罗汉,形成宝塔的形状,有些时候可高达30蚁。蚁塔可以作为临时的军营,抵抗雨点。

蚂蚁是如何形成以及为何形成这些匀称但极不同的形状的呢?他们依赖于触觉和嗅觉——而非视觉来感知世界,因此他们只能感知到非常近处的事物。与一般的认知相悖,蚁后并不对群体发布命令,而只是花时间产卵而已。每只蚂蚁基于收集到的近邻信息各行其是。

火蚁如何形成塔形或者筏子
credit: 煎蛋画师Chon

作为一名系统工程师和生物学家,我深深为蚁群不同任务的效率而折服,比如寻找食物、水面漂浮、与其他蚂蚁战斗、建造宝塔以及地下巢穴等,所有这些都是由数千个半盲愚钝生物完成的,他们大脑的神经元数量还不到人类的千分之一。

在早先的研究中,我的同事David Hu和我研究了这些微小的生物是如何编排他们的身体形成能在洪水中漂浮几周的防水救生筏的

现在我们想知道同样的蚂蚁是如何协调组装成完全不同的陆上结构——宝塔的。

火蚁如何支援?

佐治亚州一半的蚂蚁都是火蚁。为了收集我们的实验室对象,我们慢慢将水倒入一个地下洞穴里(坏东西啊),迫使蚂蚁来到地面。然后我们捕捉他们,带到实验室里,保存在箱子里。经过了一些痛苦的被咬,我们学会了将箱子排成一行,并用婴儿爽身粉防止他们出逃。

为了触发他们的建塔机制,我们将一堆蚂蚁放在培养皿中,在中心用一根小型的杆子模拟植物茎干。我们首先注意到他们的宝塔总是底部宽上部窄,就像是喇叭钟。这是如何形成的呢?

我们首先猜想底部需要更多的蚂蚁来支撑更大的重量,这被证实是正确的。为了精确化,我们假定每只蚂蚁都愿意支撑一定数量其他蚂蚁的重量,但不能更多了。

从这一假定我们推导出一个数学公式,将塔的宽度预测为高度的函数。经过测量不同数量蚂蚁形成的宝塔,我们确认了我们的模型:蚂蚁愿意支撑三个同胞的重量,但不能更多了。所以某一层所需的蚂蚁数必须与下一个上层的数量相同(来支撑所有下一层之上的蚂蚁的重量),再加上下一层数量的三分之一(来支撑下一层)。

随后我们了解到建筑师Gustave Eiffel为他的杰作使用了同样的等量带载原理。

杆周围的环

然后我们就要问火蚁是如何建塔的。当然他们不会做数学,不知道要多少只蚂蚁才能建塔。还有他们为什么是花费10到20分钟建筏子而非仅仅1到2分钟呢?这让我们花了2年测试7个假设。

虽然我们认为塔是由水平层构成的,但蚂蚁建塔并不是先完成底层然后每次增加一个完整层。他们无法事先“知道”底层会有多宽。他们没办法数有多少只蚂蚁更不用说测量一层的宽度或者计算必要的宽度。

相反,蚂蚁在需要附着的表面上疾跑,由此增厚每一层塔。顶层总是在曾经的顶层上面形成。这一层是最狭窄的,由环绕杆子的蚂蚁环构成,每只蚂蚁都勾住两个水平相邻的同伴。

我们关键的观测是如果某个环并没有完全环绕杆子,就无法支撑其他试图在这之上建造另一个环的蚂蚁们。经过测量蚂蚁抓和与附着力,我们分析了环的物理学,并确定完全的环比未完全的要稳定20到100倍。看起来环的形成是宝塔增长的瓶颈。

这一假说给了我们可测试的预测。一个直径更大的杆子需要更大一点的环,所以建塔会慢一点。为了得到定量预测,我们将蚂蚁运动数学建模为1厘米内的随机方向运动,这与我们的蚂蚁筏子形成中的蚂蚁运动模型一样。

然后我们拍摄了蚂蚁在环上运动的特写镜头。基于100多个数据点,我们的环填充模型得到了有力的验证。当我们利用不同直径杆子进行建塔实验时,直径更大的杆子对应的塔建造速度也越慢,与我们的预测很一致。

慢速下沉

随后另一个更大的惊讶袭来。我们曾认为,一旦塔建好了,全部工作就结束了。但在一次实验中,我们不小心让摄像机在塔建好后额外运行了一个小时。

[b站] [优酷]


火蚁形成宝塔的加速视频

博士生Nathan Mlot是个很好的科学家,不会抛弃观测数据。但他不想浪费一小时观看什么都不会发生的录像。于是他以十倍速观看了视频,发现了惊人的一幕。

在十倍速下,表面的蚂蚁移动十分迅速,以至于变得模糊,透过这些蚂蚁可以看到下面的塔,而塔正在缓慢下沉。这发生得很慢,以至于在正常速度下无法察觉。

我们从透明培养皿底下观察塔的底层。那里的蚂蚁形成隧道,逐渐逃出塔。然后在塔的表面上疾跑,直到最终加入到新的顶层环中。
我们无法看到塔深处的蚂蚁。整个塔都在下沉还是仅仅其表面呢?我们认为是前者,因为蚂蚁之间相互连接,形成一个整体。

我们招募了最近发明三维X射线技术的Daria Monaenkova。我们在蚁群中掺杂了某些携带放射性碘的蚂蚁,并进行追踪。每只追踪的蚂蚁都下沉了。

或者这个研究最重要的暗示就是蚂蚁不需要知道他们所有是否以相同的方式动作的。显然他们服从相同的简单运动规则:如果蚂蚁在向你的上方移动,那你就不要动。如果不是,随机移动,并且只有当你到达至少与一个静止蚂蚁相邻的未占据空间时才停下来。

一旦塔建好了,蚂蚁就会在其中循环,同时保持其形状。我们都很惊讶,我们以为一旦塔的高度达到极限蚂蚁们就会停止建造塔。先前当我们研究蚂蚁筏子的时候,我们却惊讶于相反的方式。我们以为蚂蚁会在筏子中循环流通,这样才能轮流位于底部的水中。但事实上,底部的蚂蚁可以保持静止几周。

我们所研究的每个生命体都比乍看起来更为复杂。理解简单规则形成的精致多变结构能增加我们对进化之力的敬畏,赋予设计多功能自组装机器团队的灵感。

本文译自 conversation,由译者 CliffBao 基于创作共用协议(BY-NC)发布。Craig Tovey(佐治亚理工学院)


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TOTAL COMMENTS: 6+1

  1. 3532788

    惊了,蚂蚁都会算法的。

    [13] XX [0] 回复 [0]
  2. 陈小果
    @1 month ago
    3532827

    一会变成个S一个会变成个B

    [3] XX [12] 回复 [0]
  3. 脑子坏掉了
    @1 month ago
    3532839

    分布式决策系统

  4. 逼逼吸
    @1 month ago
    3532846

    记得有个gif 是蚂蚁搭成了桥让其他蚂蚁在上面走

    问题是最开始的那几只蚂蚁是怎么做到的?

    [15] XX [1] 回复 [1]
  5. 3533484

    看到蚂蚁我就猜有David Hu

  6. 光渡
    @1 month ago
    3533600

    元胞自动机(蚂蚁版)

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