螞蟻是如何造橋的？

即使沒有將軍指揮，行軍蟻也會自行通力合作，用它們的身體造出一座橋。一項新研究出揭示它們複雜群體行為背後的簡單規則。

撰文凱文·哈特尼特（Kevin Hartnett）

翻譯張銘函

審校金燁

編輯金莊維

圖片來源：www.quantamagazine.org

行軍蟻有上百萬個殖民地，卻沒有固定的大本營。它們每晚穿梭在叢林中尋找新的覓食處。一路上，行軍蟻們表現出的種種壯舉簡直可以讓四星上將引以為豪，其中就包括用它們的身體造“橋”。

行軍蟻能夠在沒有領導的情況下相互協調，並且只運用到最少的認知資源。一隻獨立的行軍蟻幾乎就是瞎的，而且它自己的小腦袋無法參透它們精密的集體動向。來自新澤西理工學院（New Jersey Institute of Technology）群體研究實驗室主任西蒙·加尼爾（Simon Garnier）說：“它們沒有領導者，也沒有行軍蟻建築師告訴它們’我們就建在這裡’。” 在一項新的研究中，加尼爾作為合作者，預測了行軍蟻軍團造橋的時機。

加尼爾的研究不僅有助於解釋無組織的螞蟻怎麼造橋，還能解釋如何實現更複雜的決定：哪座橋更值得造。

隨著缺口變大，螞蟻橋在坍塌後，又迅速重建起來

（視頻來源： Simon Garnier, Helen McCreery and the New Jersey Institute of Technology）

為了看清這項工作如何開展，先從“行軍”途中單只行軍蟻的角度來看。當路上遇到缺口時，它腳步會變慢。而隊伍中的其他螞蟻踩著它的後背過去，仍以每秒 12 厘米的速度行進。這時候，兩條簡單的規律出現了。

第一條規則告訴我們，當一隻螞蟻意識到其他螞蟻走在它的背上時，它就會靜止不動。

相同的過程也在其他螞蟻身上重複：它們踩過第一隻螞蟻，但不巧的是，缺口還在，所以隊伍中的下一隻螞蟻也得充當“墊腳石”，靜止不動。這樣，螞蟻們就造出了一個可以跨越它們面前任何縫隙的橋。然後，後面的螞蟻就從“螞蟻橋”上走過去。

當螞蟻“軍隊”遇到 V 形缺口

（視頻來源：Christopher R. Reid, Matthew J. Lutz and the New Jersey Institute of Technology）

不過，整個過程不僅僅像上面說的那麼簡單，造橋也要權衡利弊。想像一下，一列螞蟻在途中遇到了一個 V 形缺口。它們既不想花大把時間繞著走，也不想在間隙最寬的地方造橋，雖然那樣會最大程度地縮短它們之後的行程。事實上，行軍蟻不總是造出能使“行軍”距離最短的橋，這表明它們無意識的計算中還包含其他因素。 “在生態學中，如果你看到這樣的事情，那通常表明其中有著利弊權衡。” 加尼爾表示，“這時你就想搞清楚，利是什麼，弊又是什麼。”

生態學家認為，其弊端在於作為橋身的螞蟻無法抽身完成其他任務，如覓食。在出行的任何時候，一隊行軍螞可能會造 40-50 座橋，其中每座橋少則一隻螞蟻，最多可達 50 只。在 2015 年發表的一篇論文中，加尼爾和他的同事計算得到：在螞蟻的行軍隊伍中，一般能有多達 20% 的螞蟻同時被禁錮在橋身中。這時，如果為了一條更短的路線而浪費更多的螞蟻去造更長的橋，那就不划算了。

然而，每隻螞蟻都不知道它有多少同伴在撐著橋來快速通過縫隙。這時候就出現了第二條規則。當螞蟻各自運行著“造橋算法”時，它們對背上承受的踩踏相當敏感。當它們背上的“交通量”超過一定的水平時，他們就會站住不動。而當“交通量”降低到了某水平線以下時，也許是因為太多的螞蟻都參與造橋，螞蟻們就重新活動起來，加入前進的隊伍。

新發表的論文總結了 2014 年巴拿馬叢林的行軍蟻實驗。經觀察，研究者建立了一個能夠量化螞蟻“步行交通量敏感度”的模型，此模型可以預測一隊螞蟻何時決定造橋，何時決定繞路。加尼爾的團隊試圖在給定的環境下，準確預測螞蟻們會抄多少近路。

演化似乎恰好為行軍蟻提供了合適的造橋“算法”。有些開發簡單群體機器人的研究人員正在探索如何讓他們的經濟型機器表現得同樣智能。其中一個挑戰就是，比起人類造出的非常耗電的機器人“團隊”，自然界創造的螞蟻“軍隊”更靠譜，能耗也更低。第二個挑戰是，行軍蟻具備整齊劃一的協調行為背後，很可能不止這兩條簡單的規則。

“我們如此簡單地描述行軍蟻的行為，但我們可能根本不了解它們在做什麼。它們是很簡單，但也許沒有人類想得那麼簡單。”哈佛大學群體機器人學研究者馬爾文·高奇（ Melvin Gauci）如是說。

原文鏈接

https://www.quantamagazine.org/the-simple-algorithm-that-ants-use-to-build-bridges-20180226/

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