想象一個(ge) 蟻塚(zhong) 的樣子，腦海中會(hui) 出現怎樣的畫麵？一個(ge) 平平無奇的小沙堆，草坪上拱起的看似一戳即破的土堆？……這樣的畫麵，好像確實沒什麽(me) 值得一提的……

草坪上的一堆堆蟻塚(zhong) 。｜圖片來源：Hans / Pixabay

但事實真的如此嗎？對科學家和工程師來說，答案是否定的。

在蟻塚(zhong) 簡單外表之下，隱藏著驚人的複雜性。在沒有機械和加固材料的輔助下，螞蟻可以建造出向地下延伸數米的隧道，隧道的每個(ge) 分支都通向有專(zhuan) 門用處的“房間”——有的是蟻後的住所，有的是幼蟻的培育基地，有的是存儲(chu) 食物的場地，還有的被用作為(wei) 垃圾場……可以說，螞蟻搭建的不僅(jin) 僅(jin) 是洞穴，而是一座地下城，可以承載數百萬(wan) 螞蟻在其中生活數十年。

 一個(ge) 螞蟻築的巢的例子。｜圖片來源：F. Badland

螞蟻的這種建造能力令人震撼。其實，在工程學和螞蟻生態學中，螞蟻如何創造出這些能夠維持數十年的龐然大物一直是個(ge) 謎。一些研究人員不禁思考，當人類在進行采礦、地鐵修建、地下農(nong) 場建造等項目時，是否能夠從(cong) 螞蟻創造的隧道結構中獲得提高挖掘能力的靈感？

現在，加州理工學院的一組研究人員就從(cong) 螞蟻身上習(xi) 得了一個(ge) 關(guan) 於(yu) 建造這種複雜而又極其穩定的結構的秘密，他們(men) 將研究結果發表在了近期的《美國國家科學院院刊》上。

在開始這項研究之前，研究人員思考了這樣一個(ge) 問題：螞蟻是否“知曉”如何挖掘隧道，還是它們(men) 隻是在進行盲目地挖掘？

研究人員雖然無法“采訪”螞蟻，詢問它們(men) 的想法。但他們(men) 首先假設，這些結構複雜的隧道是螞蟻們(men) “有意為(wei) 之”的。他們(men) 懷疑是螞蟻會(hui) 去“感受”泥土，尋找寬鬆的土壤顆粒然後將它們(men) 去除，這就和人類在玩“疊疊樂(le) ”時一樣，把挑那些鬆散的積木塊挑選出來然後移除，而那些穩固一些的無法被移開的積木，則是承重積木，也就是這座建築裏的“力鏈”。在他們(men) 的假設中，螞蟻可以感受到這些力鏈，然後避免在那裏進行挖掘。

疊疊樂(le) 。｜圖片來源：Engin_Akyurt / Pixabay

螞蟻果真如此嗎？為(wei) 了了解螞蟻，研究團隊向研究螞蟻的適應性和集體(ti) 行為(wei) 的生物學家求助。在生物學家加入後，研究團隊開始在容器中培育螞蟻，並學習(xi) 如何與(yu) 它們(men) 合作。這個(ge) 過程花了將近一年的時間。通過這些工作，研究人員確定了培育螞蟻的最佳容器大小，以及每個(ge) 容器中最理想的螞蟻數量。

每當螞蟻開始動工挖掘容器中的土壤時，研究人員就會(hui) 每隔10分鍾對這些容器進行高分辨率X射線掃描，從(cong) 而生成容器內(nei) 的所有內(nei) 部結構的三維掃描圖，以此來捕捉每一隻螞蟻和每一顆土壤的位置，成像過程長達20小時。

成像結果為(wei) 研究人員提供了與(yu) 每個(ge) 隧道形狀有關(guan) 的確切細節，並讓他們(men) 了解到哪些土壤顆粒在隧道的挖掘過程中被移除了。然後，研究團隊利用這些掃描成像創建了一個(ge) 非常精確的計算機模型，並用它來分析作用在隧道上的力。在模型中，他們(men) 重建了每個(ge) 顆粒的大小、形狀和方向，計算出每個(ge) 顆粒所受的力的方向和大小。

通過X射線掃描成像結果，研究人員創建了一個(ge) 計算機3D模型。｜動圖來源：Caltech

此外，研究人員在分析螞蟻的挖掘時還發現了螞蟻的一些工作模式。首先，螞蟻會(hui) 沿著容器的內(nei) 緣挖掘，因為(wei) 容器本身可以充當隧道結構的一部分，從(cong) 而減少了它們(men) 的工作量。此外，它們(men) 還會(hui) 將隧道挖得盡可能的直，這是很合理的， 因為(wei) 直線是平麵上的兩(liang) 點之間的最短路徑。這兩(liang) 點結合在一起表明，螞蟻的工作非常高效。

不僅(jin) 如此，他們(men) 還發現螞蟻會(hui) 盡可能地將它們(men) 的隧道挖得陡峭，一直挖到所謂的自然坡度角。自然坡度較指的是顆粒材料在崩塌前所能堆積的最大角度。當我們(men) 在建造一個(ge) 沙堆時，每加入一勺沙子都會(hui) 使得它們(men) 順著已經堆好的沙子滑下去。越多的沙子會(hui) 使沙堆堆得越高、越寬，但永遠不會(hui) 越陡峭。但如果在堆砌時使用的是濕潤的沙子，那麽(me) 就能夠把沙堆堆砌得足夠陡峭，從(cong) 而用以建造沙牆、沙塔、沙堡等其他結構。濕潤的沙子比幹燥的沙子有更高的自然坡度角。每一種顆粒物質都有其獨特的自然坡度角，螞蟻能分辨出它們(men) 挖掘時的角度有多陡，而且不會(hui) 超過這個(ge) 角度。

 如沙子一類的顆粒狀物質在崩塌前可以堆積的最大角度被稱為(wei) 自然坡度角。｜圖片來源：Andy Arthur/Creative Commons

當螞蟻移走土壤顆粒時，它們(men) 會(hui) 導致隧道周圍的力鏈發生微妙的重新排列。這些力鏈在螞蟻開始挖掘之前是隨機的，然後在隧道的外圍重新排列。當出現這樣的情況時，會(hui) 發生兩(liang) 種現象：一是力鏈會(hui) 加強隧道現有的壁，二是在螞蟻正在挖掘的隧道末端，力鏈能減輕末端顆粒的壓力，使螞蟻更容易安全地將它們(men) 移走。事實證明，通過以這種模式移除土壤顆粒，螞蟻在挖掘時受益於(yu) 這些環向力鏈。

左側(ce) 的力鏈是隨機分布的；右側(ce) 的力鏈重新排列過，將螞蟻挖的隧道包裹起來。｜圖片來源：Caltech

現在，讓我們(men) 回到文章開頭提到的問題：螞蟻在挖掘的時候知道自己在做什麽(me) 嗎？

研究人員認為(wei) ，螞蟻似乎並不“知道”自己在做什麽(me) ，它們(men) 並沒有係統地尋找沙子中的軟點，而是進化出了根據物理定律進行挖掘的能力。研究人員將這種現象稱為(wei) 行為(wei) 算法。這種算法並不存在於(yu) 某一隻特定的螞蟻身上，這是所有工蟻湧現出的一種群體(ti) 行為(wei) 。研究人員無法解釋這種行為(wei) 程序是如何在所有螞蟻小小的大腦中傳(chuan) 播的，這是自然界的一個(ge) 奇跡。

研究小組希望，或許科學家可以開始研究一種人工智能方法來模擬這種行為(wei) 算法，這樣就可以在電腦上模擬螞蟻究竟是如何挖掘的。

#創作團隊：

編譯：糖獸(shou)

#參考來源：

https://www.caltech.edu/about/news/the-science-of-underground-kingdoms

https://www.pnas.org/content/118/36/e2102267118 

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

#圖片來源：

封麵圖來源：Marek Piwnicki / Unsplash

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