桥梁、公路、脚手架——军蚁的神奇工程如何让我们成为更聪明的创造者

巨型蚂蚁冢

      因为有了一个50英亩的农场，让我有更多机会和土地面积接触到田野中的军蚁(Eciton burchellii)。我发现它们更喜欢聚集在桉树苗的根部获取甜腻的树汁，或者深入坚硬的土里挖洞成穴，然后再筑起越来越高的土丘，样子变得可怕起来。它们筑穴的规模越来越大，这让我不得不关注它们，甚至去查找一些资料去更多的了解它们。关于军蚁的知识是有趣的也是令人震撼的。

      军蚁以其大规模的觅食袭击而闻名。成千上万的蚂蚁像河流一样从它们的巢穴涌出来，在丛林中四处搜寻，捕食任何无法逃脱蚁群的东西。每次的突袭是一项巨大的任务。一次突袭可以是20米宽，100米长，由20多万只蚂蚁组成，以每秒13厘米的速度奔跑，每小时收集3000个猎物。

      为了保证交通畅通，蚁军沿着崎岖的森林地面建造公路和桥梁。这些结构完全是由工蚁将它们的身体连接在一起组成的。这些微小的盲蚁是如何协调这些动态结构的，目前还不太清楚，但一项新的研究让我们离答案更近了一步。

      美国的一项研究首次描述了一种被称为“支架”的自组装蚂蚁结构。它还介绍了一个关于支架如何形成的数学模型，这可能对几个工程领域有影响。

军用蚂蚁安全脚手架

      研究表明，对于觅食的军蚁来说，脚手架就像一张安全网。它们可以防止行走的蚂蚁在陡峭的地面上滑倒。

研究者们在巴拿马的森林里潜行，寻找蚁群，然后沿着一个平台改变路线，这个平台可以从水平位置倾斜20到90度。蚂蚁很少在40度以下的陡坡上搭建脚手架，更陡的坡度会容易导致更大更快的建筑。在许多工蚁搬运沉重的猎物时，脚手架也更容易建造。一旦脚手架就位，掉落的蚂蚁数量会下降到几乎为零——即使是在垂直的表面。

军蚁搭桥

神奇的自我组装架构师

      蚂蚁是集体建筑的大师。一些物种被记录到自我组装成功能结构，以克服其栖息地的挑战。例如，织叶蚁(Oecophylla属)排成一队形成“牵引链”，在树梢筑巢时充当活绞车，使树叶弯曲在一起。整个火蚁群(红火蚁群)形成漂浮筏以躲避洪水，可以航行数天，直到水退去，蚁群可以安全上岸。然而，军蚁(蜂蚁属)已经掌握了这种能力，并将其扩展到它们生物学的几乎每个方面。沿着一次觅食突袭，行军蚂蚁可以形成数百个坑洞堵塞。它们的桥跨越了几个蚂蚁的身体长度，帮助它们在中南美洲热带雨林不规则的地面上轻松通行。每天结束时，整个蚁群会自我集结成一个巨大的悬挂巢穴，称为“宿营”。

蚁群为维持快节奏的生活方式而增加现有结构的建造，它们会使用“脚手架”。自我组装成比个体大数量级的结构需要极端程度的协调。引人注目的是，这是在没有任何领导人或外部蓝图的情况下实现的。每个个体只能对与邻居的局部互动和环境的变化做出反应。发现个体之间一对一的互动如何导致复杂的群体形成对生物学家来说是一个挑战，对工程师来说则是一个黄金机会。

为了团队的利益而努力工作

      当相对简单的动物在群体层面上表现出复杂的行为时，科学家们给它们起了一个名字:“涌现”。比如在空中躲避捕食者的椋鸟群中游动的令人着迷的波浪，或者鱼群中闪电般的逃离波。这种协调曾经被认为是团队成员之间心灵感应交流的结果。科学家们现在知道，简单的一对一互动加起来比各部分相加要多，这就解释了很多群体层面的模式。但是他们还没有完全理解个人层面的信息是如何结合和过滤，以转化为群体层面的回应。

      最近对蚁军支架的研究为这一领域提供了新的见解，通过一个以简单机制为中心的支架结构理论开发模型。也就是说:蚂蚁可以感知到它们滑动的程度，当它们滑动的速度很高时，它们更有可能停下来并连接成脚手架。蚂蚁不需要相互交流，也不需要评估建筑的大小。仅仅通过个体感知和纠正自己的错误，就可以改变群体的属性。

未来的应用

      利用最少的传感和信息处理来形成复杂的自适应结构的能力对许多工程领域来说是非常有价值的。它可以帮助快速生产生物产品(生物制造)，设计自愈材料，如金属或塑料，当损坏时可以自我修复，以及群体机器人。

      织叶蚁形成一条悬挂的链。例如，一群简单、廉价、大量耗用的机器人可以被部署到自动探索危险环境，如灾区。蜂群可以自我组装成结构，帮助它连接巨大的缺口，或支撑摇摇摆摆的建筑物——同时定位和营救幸存者。

      至关重要的是，这些能力不需要明确地编入机器人的行为系统。更确切地说，这种能力将“浮现”于机器人之间如何相互作用的简单规则中，从而使蜂群能够前所未有地适应新环境。