新研究探讨了蚂蚁如何构建复杂但稳定的地下巢穴。
这项研究的动机，是希望改进人类自身的地下挖掘技术。
人们希望能将“蚂蚁物理学”应用于人类尺度的建筑工程。
试想一个蚁丘。你看到了什么？一小堆沙土和松散泥土从草坪中隆起？一个消失在地下的小洞？几只蚂蚁忙碌地四处奔走？不怎么令人印象深刻，对吧？
但拨开地表，地上的简单外观便让位于地下的复杂结构。隧道向下延伸，分支并通向各类专门的腔室：有的是蚁后的居所，有的是育幼的巢室，有的是用于培育食用真菌的“农场”，还有的是堆放垃圾的场所。这些并非简单的洞穴，而是地下之城，其中一些可容纳数百万个体，深度可达25英尺，且往往持续数十年。
这种建造工程对大多数生物而言都堪称宏大，而由身躯仅比指甲盖稍大的动物完成，则尤为非凡。
出于改进人类自身地下挖掘能力的愿望——无论是用于采矿、修建地铁还是地下农业——加州理工学院的一个研究团队已揭开了蚂蚁如何构建这些令人惊叹的复杂稳定结构的一个秘密。
由Jose Andrade教授（乔治·W·霍斯纳土木与机械工程讲席教授）领导的实验室牵头，团队研究了蚂蚁的挖掘习性，并揭示了指导其行为的机制。相关研究发表于期刊《美国国家科学院院刊》。
蚂蚁在想什么（如果它们有思考的话）？
在开展这项研究之前，安德雷德（他同时也是西塞尔与萨利·德林克沃德领导席位教授及机械与土木工程执行负责人）心中有一个重大问题想要回答：蚂蚁是否“知道”如何挖掘隧道，还是只是盲目地挖？
“我受到这些被挖掘出来的蚁巢的启发——人们将塑料或熔融金属注入其中，你会看到庞大的隧道系统，令人难以置信地壮观，”安德雷德说。“我看到一张与人并排的此类蚁巢照片，心想‘天哪，这真是一座了不起的结构。’于是我开始想，蚂蚁是否‘知道’如何挖掘。”
“我们并没有去问蚂蚁它们是否知道自己在做什么，但我们确实从这样一个假设出发：它们是有目的地挖掘的，”安德雷德说。“我们推测，蚂蚁或许是在玩叠叠乐（Jenga）。”
他所说的“玩叠叠乐”是指，研究团队推测蚂蚁是在土壤中摸索前行，寻找可以移除的松散土粒，这与玩叠叠乐的人检查哪些积木松动、可以安全抽出一样。那些无法移除的积木——即承载整叠积木重量的那些——被称为该结构的“力链”，即由施加于其上的力相互挤压在一起的一组构件。
“我们推测，蚂蚁能够感知这些力链，并避开在那里挖掘，”安德雷德说。“我们想，它们或许是通过轻敲土粒，借此评估土粒所承受的机械力。”
蚂蚁想怎么做就怎么做
要研究蚂蚁，团队首先需要有蚂蚁可供研究。但安德雷德是一名工程师，而非昆虫学家（即研究昆虫的人），因此他请来了Joe Parker生物学与生物工程学助理教授帮忙，其研究重点是蚂蚁及其与其他物种之间的生态关系。
“安德雷德及其团队需要的是一位熟悉蚂蚁、并理解这些群居昆虫的适应性与群体行为的人，为他们所做的事提供一些背景参考，”帕克说。
有了帕克的加入，团队开始培育蚂蚁，并学习如何与它们打交道。安德雷德说，这一过程耗时近一年。他们不仅需要繁育足够数量的蚂蚁以供研究，还要经历大量反复试错，才能让蚂蚁在小杯子中的土里挖掘，以便将其放入X射线成像仪中。通过这项工作，他们确定了最佳的杯子尺寸，以及每个杯子中放入蚂蚁的理想数量。尽管如此，蚂蚁并不总是配合研究人员自己的安排。
“它们有点反复无常，”安德雷德说。“它们想挖的时候才挖。我们把这些蚂蚁放进容器里，有些立即开始挖掘，取得了惊人的进展。但另一些蚂蚁，几个小时过去了也完全不挖。还有一些挖了一阵子，然后又停下来休息。”
但一旦蚂蚁开始行动，研究人员便会取出这些小杯子，用一种能生成所有隧道三维扫描图像的技术对其进行X射线扫描。通过一系列扫描，并让蚂蚁在两次扫描之间稍作工作，研究人员便能够生成模拟图像，展示蚂蚁将隧道不断向地表以下延伸的进展过程。
理解蚂蚁的物理学
接下来，安德雷德团队着手分析蚂蚁在工作时的实际行为，并发现了几个规律。首先，安德雷德表示，蚂蚁力求尽可能高效。这意味着它们沿着杯子的内壁挖掘隧道，因为杯子本身会成为隧道结构的一部分，从而减少它们的工作量。它们还会尽可能笔直地挖掘隧道。
“这是有道理的，因为两点之间直线最短，”安德雷德说。“而它们利用容器的侧壁，这表明蚂蚁在其所做的事情上非常高效。”
蚂蚁还会尽可能陡峭地挖掘隧道，直至接近所谓的休止角。该角度代表颗粒状材料——即由单个颗粒构成的材料——在坍塌前所能堆积的最大陡峭角度。
要理解休止角，可以想象一个孩子在海滩上堆沙堡。如果孩子使用干沙，每铲添加的沙子都会沿着已堆起的沙堆斜坡滑落。沙子越多，沙堆会变得越高，但也会变得更宽，而且永远不会变得更陡。另一方面，如果孩子使用湿沙，他们便能将沙子堆得足够陡峭，从而建造城墙、塔楼以及沙堡可能拥有的其他各种结构。湿沙的休止角高于干沙，而且每种颗粒状材料都有其独特的休止角。安德雷德说，蚂蚁能够判断其所挖掘的材料的休止角有多陡，并且它们不会超过这一角度。他表示，这同样合乎情理。
“如果我是一个挖掘者，并且我想要生存下去，我的挖掘技术就必须遵循物理定律，否则我的隧道就会坍塌，而我也会死，”他说。
最后，团队发现了蚂蚁隧道物理学中的一些发现，这些发现有朝一日或许会对人类有所助益。
蚂蚁在移除土粒的过程中，会在隧道周围不易察觉地引起力链的重新排列。这些力链在蚂蚁开始挖掘前还较为随机，此时会围绕隧道外部重新排列，类似于茧或内衬。在此过程中会发生两件事：1）力链加固了隧道的现有墙壁；2）力链减轻了蚂蚁工作处隧道末端颗粒所承受的压力，从而使蚂蚁更容易安全地移除这些颗粒。
“无论是工程学还是蚂蚁生态学领域，蚂蚁如何建造这些能够持续数十年的结构，一直是个谜，”帕克说。“事实证明，通过我们所观察到的这种移除颗粒的模式，蚂蚁在向下挖掘时受益于这些环向力链。”
但是，关于团队假设的核心问题又该如何解答呢？蚂蚁在挖掘时是否意识到自己在做什么？
蚂蚁知道什么，不知道什么
“我们发现，它们似乎并不‘知道’自己在做什么，”安德雷德说。“它们并不会系统性地去寻找沙子中的软弱点。相反，它们是进化出了依照物理定律进行挖掘的方式。”
帕克将此称为一种行为算法。
“这种算法并不存在于单只蚂蚁之中，”他说。“它是整个蚁群中所有工蚁协同作用而涌现出的集体行为，宛如一个超有机体。这一行为程序是如何分布在所有这些蚂蚁微小的大脑中的，至今仍是大自然的奇迹，而我们对此尚无解释。”
安德雷德表示，他希望着手开发一种人工智能方法，以模拟该行为算法，从而能够在计算机上模拟蚂蚁的挖掘过程。安德雷德说，这种模拟的一部分工作，将是确定如何将蚂蚁的物理原理扩展到人类尺度的隧道上。
“颗粒状材料的尺度变化方式不同于流体或固体等其他材料，”他说。“通过对颗粒间摩擦系数进行尺度换算，我们可以从颗粒尺度的实验（本例中约为几毫米）推广到米级尺度。”
在此之后的下一步是什么？能为人类挖掘隧道的机器人蚂蚁。
“移动颗粒状材料能耗极高，而且成本高昂，还总需要有操作人员在现场操控机器，”他说。“这将是最后的前沿。”
描述该研究的论文题为《Unearthing real time 3D ant tunneling mechanics》一文，发表于8月23日出版的期次中，期刊为《美国国家科学院院刊》。
合著者包括：应用力学研究生 Robert Buarque de Macedo；加州理工学院前博士生 Shilpa Joya；格勒诺布尔阿尔卑斯大学的 Edward Andò 和 Gioacchino Viggiani；以及堪萨斯州立大学的 Raj Kumar Pal。
该研究由美国陆军研究办公室提供资助。
Joe Parker 是Tianqiao and Chrissy Chen Institute for Neuroscience的附属教职人员。
