想象一個蟻冢的樣子，腦海中會出現怎樣的畫面？一個平平無奇的小沙堆，草坪上拱起的看似一戳即破的土堆？……這樣的畫面，好像確實沒什麼值得一提的……
草坪上的一堆堆蟻冢。｜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。
在蟻冢簡單外表之下，隱藏著驚人的復雜性。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，隧道的每個分支都通向有專門用處的“房間”——有的是蟻後的住所，有的是幼蟻的培育基地，有的是存儲食物的場地，還有的被用作為垃圾場……可以說，螞蟻搭建的不僅僅是洞穴，而是一座地下城，可以承載數百萬螞蟻在其中生活數十年。
一個螞蟻築的巢的例子。｜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謎。一些研究人員不禁思考，當人類在進行采礦、地鐵修剪、地下農場建造等項目時，是否能夠從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螞蟻身上習得了一個關於建造這種復雜而又極其穩定的結構的秘密，他們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問題：螞蟻是否“知曉”如何挖掘隧道，還是它們只是在進行盲目地挖掘？
研究人員雖然無法“采訪”螞蟻，詢問它們的想法。但他們首先假設，這些結構復雜的隧道是螞蟻們“有意為之”的。他們懷疑是螞蟻會去“感受”泥土，尋找寬松的土壤顆粒然後將它們去除，這就和人類在玩“疊疊樂”時一樣，把挑那些松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。｜圖片來源：Engin_Akyurt / Pixabay
螞蟻果真如此嗎？為了了解螞蟻，研究團隊向研究螞蟻的適應性和集體行為的生物學家求助。在生物學家加入後，研究團隊開始在容器中培育螞蟻，並學習如何與它們合作。這個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，研究人員就會每隔10分鐘對這些容器進行高分辨率X射線掃描，從而生成容器內的所有內部結構的三維掃描圖，以此來捕捉每一只螞蟻和每一顆土壤的位置，成像過程長達20小時。
成像結果為研究人員提供了與每個隧道形狀有關的確切細節，並讓他們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，他們重建了每個顆粒的大小、形狀和方向，計算出每個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，螞蟻會沿著容器的內緣挖掘，因為容器本身可以充當隧道結構的一部分，從而減少了它們的工作量。此外，它們還會將隧道挖得盡可能的直，這是很合理的， 因為直線是平面上的兩點之間的最短路徑。這兩點結合在一起表明，螞蟻的工作非常高效。
不僅如此，他們還發現螞蟻會盡可能地將它們的隧道挖得陡峭，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。當我們在建造一個沙堆時，每加入一勺沙子都會使得它們順著已經堆好的沙子滑下去。越多的沙子會使沙堆堆得越高、越寬，但永遠不會越陡峭。但如果在堆砌時使用的是濕潤的沙子，那麼就能夠把沙堆堆砌得足夠陡峭，從而用以建造沙墻、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，螞蟻能分辨出它們挖掘時的角度有多陡，而且不會超過這個角度。
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自然坡度角。｜圖片來源：Andy Arthur
當螞蟻移走土壤顆粒時，它們會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，會發生兩種現象：一是力鏈會加強隧道現有的壁，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這些環向力鏈。
左側的力鏈是隨機分布的；右側的力鏈重新排列過，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麼嗎？
研究人員認為，螞蟻似乎並不“知道”自己在做什麼，它們並沒有系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行為算法。這種算法並不存在於某一只特定的螞蟻身上，這是所有工蟻湧現出的一種群體行為。研究人員無法解釋這種行為程序是如何在所有螞蟻小小的大腦中傳播的，這是自然界的一個奇跡。
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算法，這樣就可以在電腦上模擬螞蟻究竟是如何挖掘的。
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：
首圖來源：Marek Piwnicki / Unsplash