火蟻也懂建筑學(xué)

江葉離

提到螞蟻，你的第一反應(yīng)可能是，這是一種弱小的能夠輕易被我們捏死的生物。但是當它們成群結(jié)隊的時候，其爆發(fā)的力量往往不容小覷。

前不久，美國休斯頓及其周邊地區(qū)發(fā)生了一場大洪水。這時候，網(wǎng)絡(luò)社交媒體上一張關(guān)于火蟻的照片火了起來，上面無數(shù)的火蟻密密麻麻地團在一起，像一片木筏一樣漂浮在水面上。

無獨有偶，在2015年的一次大洪水中，火蟻筏也被發(fā)現(xiàn)于美國南卡羅來納州查爾斯頓的西北部。2017年6月下旬，在美國得克薩斯州的牙買加海灘，熱帶風(fēng)暴“辛迪”引發(fā)的洪水中也漂浮著一些火蟻筏。明智的人在劃艇穿越這些洪水的淹沒地區(qū)時，會避免用槳接觸這些火蟻，也不要試圖把它們拆開，因為這些螞蟻能順著槳上船，并爬上你的身體。

可漂在水上的火蟻筏

巴西的熱帶雨林降雨量大，洪水頻發(fā)。但是，發(fā)洪水時當?shù)氐囊环N紅火蟻會集體傾巢出動，把腿和嘴互相鉤在一起，迅速組裝，在不到兩分鐘內(nèi)集結(jié)成千上萬的伙伴，并擴散形成一個圓形的“薄餅”，以搭建出一個木筏般不會下沉的結(jié)構(gòu)，可以在水面上漂浮好幾個小時，甚至好幾周，必要時還可以堅持到洪水退去。

研究人員對火蟻的這種行為很感興趣，美國喬治亞理工學(xué)院的大衛(wèi)·胡就試圖通過實驗觀察來研究這些火蟻筏的物理特性。他們發(fā)現(xiàn)，當他們用一根棍子將火蟻筏用力向下按時，火蟻們會緊緊相依，整體隨著作用力彎曲和伸展，不會散開，并且就像疏水布料一樣不會被水潤濕。但如果撤去這個外力，它們又會自我調(diào)整恢復(fù)原來的形狀。也就是說火蟻筏很有彈性，兼具固體和液體的性質(zhì)，有點類似受擠壓后可回彈的橡膠材料。

這種能力可以讓火蟻應(yīng)對它們在雨林漂浮時可能遇到的障礙物，比如落下的小石頭在水坑里泛起陣陣波浪時，它們不會被淹死。

造高塔也不在話下

此外，把同樣的火蟻堆放在堅實的地面上，由于無法筑巢，所以在遇到植物莖稈時，它們會順著莖稈往上攀爬，形成一個堅實的塔，有時塔的高度可達它們體長的30倍。螞蟻塔是一種臨時的營地，可以幫助它們棲身于植物葉子形成的天然雨傘下，躲避風(fēng)雨。

那么，火蟻是如何形成這樣高塔的？實際上，螞蟻依靠觸覺和嗅覺，而不是視覺來感知世界，所以它們只能感覺到離自己很近的東西，并通過直接接觸到的信息來調(diào)控自己的行為。

研究人員在培養(yǎng)皿中放置了一群火蟻，并在中間用一個垂直的桿子模擬植物的莖稈。首先他們觀察到火蟻搭成的這個高塔是底部寬上頭窄的形狀，像個喇叭一樣。這不難理解，要堆得高，自然底部需要更多的螞蟻來支持上層螞蟻的重量。在觀測了不同數(shù)量的火蟻建造的塔后，他們建立了一個數(shù)學(xué)模型，用以描述構(gòu)建高塔時每層所需螞蟻數(shù)量，且發(fā)現(xiàn)法國建筑師古斯塔夫·埃菲爾當年也使用相似的原理，設(shè)計了那座著名的埃菲爾鐵塔。

雖然我們?nèi)祟愅ǔ＝ㄋ怯伤揭粚訉哟罱ǔ傻?，但火蟻并不會通過先在底部堆積足夠數(shù)量的螞蟻后，再依次往上來造塔，而是四處亂竄，不斷嘗試向上攀爬，尋找空隙站穩(wěn)腳跟，利用腿腳和嘴巴互相緊緊抓住相鄰的同伴。它們會不斷拓寬底部的地基以保證塔能夠不斷上升，塔變得越來越厚，越來越高。在這個過程中，形成一個完整的環(huán)是非常關(guān)鍵的，一個完整的環(huán)比不完整的環(huán)要穩(wěn)定20到100倍。如果沒有形成完整的環(huán)，就不能支持其他的火蟻再往上搭建另一個環(huán)。

對人類的啟示

螞蟻或許并不聰明，它們的大腦擁有的神經(jīng)元還不及人類的萬分之一，但就是這些成千上萬“愚鈍”的動物完成了這些令人驚嘆的壯舉。比如火蟻的個體很簡單，但它們“遵循簡單規(guī)則”，就構(gòu)成了水上漂的火蟻筏，搭出了就看起來很復(fù)雜的高塔。

同樣的道理，材料學(xué)家們可以在制造機器人和建筑物方面借鑒它們的智慧。從根本上說，制造一群能夠遵循簡單規(guī)則的小機器人要比制造一個會變形、能執(zhí)行復(fù)雜動作的精密機器人要容易得多。目前機器人專家在研制只需遵循簡單指令，并與其他同類機器人聯(lián)合一起執(zhí)行復(fù)雜合作行為的小型機器人群，比如要疏通下水道時，就可以把這種機器人群放入其中，它們會像火蟻一樣，互相組裝成一個整體，且具有能夠適應(yīng)各種困境的調(diào)整能力，在順利進入下水道底部后，執(zhí)行復(fù)雜的檢查和維修任務(wù)。

我們研究的每一個生物體都比乍看起來要復(fù)雜得多。深入理解它們?nèi)绾卫煤唵蔚囊?guī)則形成復(fù)雜多樣的結(jié)構(gòu)，可在工程學(xué)、材料學(xué)和機器人學(xué)方面為我們提供設(shè)計靈感。