在螞蟻挖隧道之前，土壤顆粒之間的力鏈是隨機排列的（左），但當螞蟻挖隧道后，力鏈會重新排列。

研究人員站在螞蟻穴模型旁邊。圖片來源：美國加州理工學院

　　在卡通片《別惹螞蟻》中，盧卡斯欺負小螞蟻時看到的只有草坪上冒出來的一個小土堆，中間有一個小洞，幾只螞蟻四處亂爬。蟻丘看上去很普通。

　　但當盧卡斯被神奇藥水縮小后，一個螞蟻地下王國展現在他眼前。隧道向下延伸，不斷分支并通向專門的空間：蟻后的家、幼蟻的溫床、食物儲藏間、垃圾站等。25英尺的地下，在沒有機械和加固材料的情況下，螞蟻建造了一個能容納數百萬同伴的家園，并能維持數十年。

　　現在，利用X成像和計算機模擬技術，美國研究人員揭開了螞蟻如何建造這些復雜而穩定的結構。相關論文刊登于美國《國家科學院院刊》。

　　有“想”才做

　　螞蟻“知道”如何挖隧道嗎，還是它們只是盲目地挖？加州理工學院的José Andrade一直有這個疑問。

　　但Andrade是一名工程師，對螞蟻“一竅不通”，所以他求助于該校生物學和生物工程助理教授Joe Parker，后者的研究重點是螞蟻及其與其他物種的生態關系。

　　Parker說：“Andrade團隊需要一個研究螞蟻的人，以便深入了解這些群居昆蟲的適應性和集體行為，為弄清其挖掘行為機制提供一些生物學信息。”

　　《中國科學報》從加州理工學院獲悉，研究人員花了近1年時間培養并了解螞蟻。他們不僅需要繁殖足夠多的螞蟻進行研究，還需要進行大量試驗。

　　研究人員在一個容器中建立了小型蟻群，容器中裝有500毫升土壤和15只西方收獲蟻。每隔10分鐘，高分辨率X射線掃描裝置就會捕捉到每一只螞蟻和每一粒土壤的位置，每次試驗持續20小時。

　　“螞蟻有點反復無常，它們想挖就挖。”Andrade告訴記者，“我們把螞蟻放在一個容器里，有些螞蟻會馬上開始挖掘，并會取得驚人的進展。但有些可能要花上幾個小時，甚至根本不挖。有些螞蟻會挖一會兒，然后停下來休息一下。”

　　一旦螞蟻開始行動，研究人員就會對整個過程進行X光掃描，從而生成所有內部隧道的三維掃描圖。研究人員可以借助掃描結果創建模型，顯示螞蟻隨著隧道越來越深取得的進展。

　　螞蟻也懂物理學

　　接下來，研究人員開始分析螞蟻的實際工作是什么。

　　他們發現，首先，螞蟻會盡可能地提高效率。它們會沿著容器的內邊緣挖掘，因為容器本身能充當隧道結構的一部分，從而減少工作量。

　　它們會把隧道挖得盡可能直。“因為直線是兩點之間最短的路徑。而且，它們懂得利用容器的側面，這表明螞蟻的工作非常高效。”Andrade說。

　　螞蟻也會盡可能地挖出陡峭的隧道，一直挖到所謂的靜止角。這個角度代表了顆粒材料在崩塌前可以堆積的最大角度。

　　什么是靜止角？Andrade提到，想象在海灘上建造一個沙堡。如果用的是干沙子，加進去的每一勺沙子都會順著已經堆好的沙子滑下去。更多的沙子會使沙堆更高、更寬，但永遠不會變得更陡。如果使用濕沙，就能夠把沙堆得足夠陡峭，以建造墻、塔和沙堡等。

　　濕沙比干沙有更高的靜止角，螞蟻能分辨出挖洞時的角度能有多陡，而且不會超過這個角度。“如果我是一名挖掘者，如果要活下來，我的挖掘技術必須符合物理定律，否則隧道就會坍塌，我就會死。”他說。

　　螞蟻隧道的物理原理是這樣的：當螞蟻移走土壤顆粒時，它們會導致隧道周圍承重力鏈的重新排列。這些力鏈在螞蟻開始挖掘之前是隨機的。重新排列后，力鏈一方面加固了隧道現有的土壁，同時減輕了隧道末端顆粒承受的壓力，使螞蟻更容易安全地移走它們。

　　“在工程學和螞蟻生態學中，螞蟻如何構建這些持續數十年的結構一直是個謎。”Parker說，“事實證明，螞蟻在挖掘時受益于這些環向力鏈。”

　　超級有機體

　　回到開頭的那個問題：螞蟻在挖洞的時候知道自己在做什么嗎？

　　實際上，有人曾把熔化的塑料或金屬倒進蟻巢，當它們凝固成模型后，人們就能看到這些巨大的隧道系統。“這些系統令人印象深刻。我曾看到一張模型照片，旁邊有一個人。我在想，‘天哪，這真是一個奇妙的結構。’從那以后，我開始懷疑螞蟻是否‘知道’如何挖掘。”Andrade說。

　　但是人們沒有辦法詢問螞蟻，于是，研究人員一開始就假設螞蟻有意識地在泥土中摸索，尋找松散的土粒以便移走。這就像抽積木游戲，玩家需要選擇哪塊積木能安全取出來。而那些無法移開的石塊，就是螞蟻建筑的承重“梁柱”（即力鏈）的一部分。

　　“一開始，我們假設螞蟻可以感覺到這些力鏈，并避免在那里挖掘。它們可能在不停地敲打土壤顆粒，以評估施加在這些顆粒上的機械力。”Andrade告訴記者，“但后來，我們發現，它們似乎并不‘知道’自己在做什么。它們沒有系統地尋找沙子中的薄弱點。相反，螞蟻可能根據物理定律進化出了挖掘能力。”

　　Parker將這稱為行為算法。“這種算法并不存在于一只螞蟻身上。”他說，“所有工蟻的群體行為就像一個超級有機體。這種行為程序是如何在所有螞蟻的大腦中傳播的，這是自然界的一個奇跡，我們無法解釋。”

　　Andrade希望開發一種人工智能方法，可以模擬這種行為算法，這樣他就可以在電腦上模擬螞蟻是如何挖掘的，并將螞蟻的挖掘能力用于建造人類隧道。

　　“與流體或固體等材料相比，顆粒材料的形成方式不同。移動顆粒狀材料是非常耗能的，而且成本非常高昂。”他說，“如果螞蟻的行為算法能夠被進一步分析并最終復制，那么就可能在自動采礦機器人上得到應用——無論在地球還是其他行星上，機器人都能更有效地工作。”

　　所以，別惹螞蟻。

　　相關論文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2102267118