跟螞蟻學造橋

葉竹

速戰速決的螞蟻橋梁

在巴拿馬運河中間，有一個巴羅科羅拉多島，這是一個熱帶小島，里面生活著成千上萬種奇特的熱帶生物。在一片翠綠的葉子上，一只行軍蟻正在急匆匆爬行，很快，它就爬上了樹枝。行軍蟻的視力很不好，它得靠著觸角聞其它螞蟻留下的化學信號辨別方向。

但隨后行軍蟻停止了前進，在它的面前，沒有氣味線索，現在沒有可以攀爬的地方，樹枝斷為兩截，這只螞蟻只有0.5毫米長，但兩截樹枝之間的空隙長達30厘米，是它身長的600倍。看來，是過不去了。

然而，它也并沒有往回走。隨后，另外一些行軍蟻趕來了，它們爬上了它的身子，彼此用腳上的鉤子緊握，身體疊加起來，直到他們造出了填補這個30厘米空隙的空中橋梁。多達數百只螞蟻的覓食大軍浩浩蕩蕩穿過這座臨時橋梁。隨后，就像螞蟻迅速地造橋一樣，橋梁迅速“拆除”，螞蟻繼續他們的行程。

這一神奇的螞蟻橋梁讓研究者們驚嘆不已。螞蟻的視野只有3度，它們如何能知道造多長的橋梁呢？在有限的腦力的情況下，這些生物又是如何取得這樣驚人的協調性的呢？解答這些問題，不僅能啟發工程師、數學家和機器人設計者，甚至可能為我們人類自己的互動帶來一些啟發。

精準判斷造橋的成本效益比

來自美國和德國的研究團隊決定做一次實驗，看看螞蟻橋梁還有什么奧秘。研究者使用倒V形障礙物阻隔了螞蟻的覓食路徑。這個障礙物會迫使螞蟻分流，螞蟻要想前進，必須穿過倒V字形，它們只有兩種選擇，要么首先朝左，然后朝右，爬完倒V字的兩邊，這顯然費時費力。另外一條捷徑就是螞蟻們可以在倒V兩邊的缺口之間架出一座橋梁。

不出所料，螞蟻確實會建橋來縮短路徑，而不是走倒V的長邊。然后，令研究者驚訝的是，造橋者并沒有選擇最短的路線，而是會做不少靈活的判斷。比如剛開始螞蟻群的造橋行為開始于倒V頂端附近，這時橋梁長度可以達到最短，但隨后“橋梁”會向下移動，橋會變得越來越長和越來越寬，為什么它們會這樣做呢？

原來，這些螞蟻在不斷增加螞蟻讓橋變長時，總路徑會縮短。不過，這一長度增加并不是任意的，研究人員發現，當橋造到一定長度時，螞蟻們會停止造橋，主動拆掉，這又是為什么呢？

研究人員制作了一個計算機模型，以弄明白這種造橋方式能帶來什么效益。結果發現，螞蟻選擇的造橋路徑是最好的成本效益權衡。也就是說，螞蟻軍隊能夠有效地管理它的資源，分配足夠的人手建造橋梁，而在同一時間又使覓食的螞蟻數量達到最大化。假如橋梁過長，通過的螞蟻過少，雖然省下了時間，但得不償失。

集體協調的智慧

由于螞蟻的行為不是像人類行為那樣有明確的目的，它們也不知道自己的行為是有什么意義的，這種集體合作行為就是一個相當大的壯舉。那么，它們是怎么進行協調工作的呢？

它們造橋的原理和集體搬東西的原理類似。研究發現，10多只團結一致的螞蟻，能夠搬走超過它們自身體重5000倍的蛆或者別的食物，這相當于10個平均體重70公斤的彪形大漢搬運3500噸的重物，即平均每人搬運350噸，除了它腿部的肌肉像個有效的肌肉發動機組，能產生巨大的動力外，他們協調集體行為的能力也是一個重要的原因。

想象一下，就算你和你的朋友不用太大力氣，搬動一張桌子，但彼此之間不好好協調，也沒法順利地前進。螞蟻通過施加在食物上的力和檢測反作用力，不斷調整自身的行為，它們不是通過看，或者是聞味道，而是通過感應到身上的力來不斷調整行為。

類似地，螞蟻靠檢測其他螞蟻踩在自己身上產生的力量來造橋。假如經過螞蟻身上的螞蟻大軍非常多，螞蟻會感覺到重量，更多的螞蟻會加入到搭橋的隊伍中來，加寬加固橋梁，而一旦通過的螞蟻減少，重量減輕，螞蟻就會自動縮減橋梁。使用這個簡單的機制，螞蟻不斷修改長度、寬度和它們在橋梁的位置。

這種合作令人印象深刻，但它也是一個難題。我們知道群體行為的產生，往往是使得個體利益達到最大化。每個螞蟻真的能從中獲利？為什么一只行軍蟻愿意成為橋梁建筑段的一部分，甘心讓其他螞蟻踩著自己的身子通過？

研究者認為，螞蟻之間并不是真正的彼此競爭，而是關系密切的兄弟姐妹，只有一個蟻后負責繁殖。就像單個生物體的細胞，一只螞蟻不是為自己謀取利益，而是為了整個種族。

啟發了集群智能研究

個別螞蟻的智慧可以忽略不計，集體的智慧卻像個“超級有機體”，能夠有獨特的行為和適應能力，這種行為啟發了集群智能機器研究人員。

研究人員也希望研制出一個機器人集群方陣，在工作時像螞蟻那樣表現出一種集體智慧，但他們遇到的最大的挑戰是如何協調這些不怎么高智能的個體，螞蟻過橋行為或許可以啟發研究人員。例如，集群智能機器人可以采用一種新的分布式控制，取代中央處理單元的領導作用，機器人在地方一級響應本地的交互動作，就像螞蟻一個個感受彼此之間施加的力及其反作用力一樣，這時不穩定的個體也不會破壞整個系統。

目前最復雜的集群機器人由哈佛大學的研究人員創建。它由1000個小的、廉價的機器人使用本地級交互，相鄰的各層機器人參照前一層依次移動。不過，它們的用途還很小，只能組成一些復雜的二維圖像，比如星星形狀、字母K等。

螞蟻的集體智能還可以應用于人類社會的方方面面，比如一個智能電網的管理電源。目前我們人類采用的中央控制的方式集中管理這些系統，但這種方式耗能巨大，而且一旦中央控制系統出了問題，整個電網就會癱瘓。而蟻群沒有中央控制，它們分散式的互動，更能迅速應對各種突然變化，而且一個地方出現問題，不會危害整個集體。

此外，像疾病、交通擁堵、氣候災難和環境污染、民主暴亂、股市動蕩等等，這些事故往往是數以萬計、百萬計甚至億萬計有局限性和不穩定的單個元素或個體之間的互動來完成的，如果我們弄懂了螞蟻的智慧，或許會知道該如何處理這些問題。