火蚁会组成“诺亚方舟”以在洪水中生存 新研究揭开背后机制

中大博尔德分校的工程师们的一项新研究提出了简单的基于物理学的规则，这些规则支配着这些蚂蚁筏子如何随着时间的推移而变形：缩小、扩大或长出像大象的树干一样的长突起。

该团队的发现有朝一日可以帮助研究人员设计出在群体中一起工作的机器人，或者设计出分子迁移以修复受损部位的下一代材料。该成果最近发表在《PLOS Computational Biology》杂志上。

这项新研究的主要调查者、Paul M. Rady 机械工程系教授 Franck Vernerey 说：“这种行为的起源在于相当简单的规则。单只蚂蚁并不像人们想象的那样聪明，但是，它们集体成为非常聪明和有弹性的群体”。

在他们的最新研究中，Vernerey 和主要作者 Robert Wagner 利用数学模拟，或模型，试图弄清这些救生艇背后的机制。例如，他们发现，一个筏子中的蚂蚁移动得越快，这些筏子就越向外扩张，往往形成长长的突起。

机械工程专业的研究生 Wagner 说：“这种行为基本上可以自发发生。不一定需要有蚂蚁的任何中央决策”。在 2021 年发表的另一项研究中，两人将数千只火蚁丢进一个中间有塑料棒的水桶里，就像暴风雨中的一根孤独的芦苇。然后他们等待着。

Wagner 说：“我们把它们留在那里长达8小时，以观察这些筏子的长期演变。"我们最后看到的是，这些筏子开始形成这些增长”。随着时间的推移，这些结构不是保持相同的形状，而是会压缩，拉拢形成密集的蚂蚁圈。在其他时候，昆虫会像平底锅上的煎饼面糊一样呈扇形展开，甚至建立桥状延伸。

该小组报告说，蚂蚁似乎通过一个"踩踏"过程来调节这些形状变化。正如瓦格纳解释的那样，每个蚂蚁筏子都是由两层组成的。在底部，你可以找到“结构性”蚂蚁，它们彼此紧紧地抱在一起，构成了底部。在它们上面的是第二层蚂蚁，它们在它们的同胞成员上面自由走动。

在几个小时内，来自底层的蚂蚁可能会爬到顶层，而自由活动的蚂蚁会掉下来，成为结构层的一部分。Wagner 说：“整个机制就像一个甜甜圈形状的跑步机”。在新的研究中，他和 Vernerey 想探索是什么让这个跑步机转起来。

为了做到这一点，该团队创建了一系列模型，基本上把蚂蚁筏子变成了一个复杂的跳棋游戏。研究人员对大约2000个圆形颗粒或"代理"进行编程，以代替蚂蚁。这些代理不能为自己做决定，但它们确实遵循一套简单的规则。例如，这些假蚂蚁不喜欢撞到它们的邻居，而且它们试图避免掉进水里。

特别是，该研究小组能够调整他们模拟中的代理人的活跃程度。个别蚂蚁是缓慢和懒惰，还是经常走动？蚂蚁走得越多，它们就越有可能形成长长的延伸，从木筏上伸出来--有点像在一个拥挤的体育场里人们向出口的漏斗。