火蚁也懂建筑学

  提到蚂蚁,你的第一反应可能是,这是一种弱小的能够轻易被我们捏死的生物。但是当它们成群结队的时候,其爆发的力量往往不容小觑。

  前不久,美国休斯顿及其周边地区发生了一场大洪水。这时候,网络社交媒体上一张关于火蚁的照片火了起来,上面无数的火蚁密密麻麻地团在一起,像一片木筏一样漂浮在水面上。

  无独有偶,在2015年的一次大洪水中,火蚁筏也被发现于美国南卡罗来纳州查尔斯顿的西北部。2017年6月下旬,在美国得克萨斯州的牙买加海滩,热带风暴“辛迪”引发的洪水中也漂浮着一些火蚁筏。明智的人在划艇穿越这些洪水的淹没地区时,会避免用桨接触这些火蚁,也不要试图把它们拆开,因为这些蚂蚁能顺着桨上船,并爬上你的身体。

  可漂在水上的火蚁筏

  巴西的热带雨林降雨量大,洪水频发。但是,发洪水时当地的一种红火蚁会集体倾巢出动,把腿和嘴互相钩在一起,迅速组装,在不到两分钟内集结成千上万的伙伴,并扩散形成一个圆形的“薄饼”,以搭建出一个木筏般不会下沉的结构,可以在水面上漂浮好几个小时,甚至好几周,必要时还可以坚持到洪水退去。

  研究人员对火蚁的这种行为很感兴趣,美国乔治亚理工学院的大卫·胡就试图通过实验观察来研究这些火蚁筏的物理特性。他们发现,当他们用一根棍子将火蚁筏用力向下按时,火蚁们会紧紧相依,整体随着作用力弯曲和伸展,不会散开,并且就像疏水布料一样不会被水润湿。但如果撤去这个外力,它们又会自我调整恢复原来的形状。也就是说火蚁筏很有弹性,兼具固体和液体的性质,有点类似受挤压后可回弹的橡胶材料。

  这种能力可以让火蚁应对它们在雨林漂浮时可能遇到的障碍物,比如落下的小石头在水坑里泛起阵阵波浪时,它们不会被淹死。

  造高塔也不在话下

  此外,把同样的火蚁堆放在坚实的地面上,由于无法筑巢,所以在遇到植物茎秆时,它们会顺着茎秆往上攀爬,形成一个坚实的塔,有时塔的高度可达它们体长的30倍。蚂蚁塔是一种临时的营地,可以帮助它们栖身于植物叶子形成的天然雨伞下,躲避风雨。

  那么,火蚁是如何形成这样高塔的?实际上,蚂蚁依靠触觉和嗅觉,而不是视觉来感知世界,所以它们只能感觉到离自己很近的东西,并通过直接接触到的信息来调控自己的行为。

  研究人员在培养皿中放置了一群火蚁,并在中间用一个垂直的杆子模拟植物的茎秆。首先他们观察到火蚁搭成的这个高塔是底部宽上头窄的形状,像个喇叭一样。这不难理解,要堆得高,自然底部需要更多的蚂蚁来支持上层蚂蚁的重量。在观测了不同数量的火蚁建造的塔后,他们建立了一个数学模型,用以描述构建高塔时每层所需蚂蚁数量,且发现法国建筑师古斯塔夫·埃菲尔当年也使用相似的原理,设计了那座著名的埃菲尔铁塔。

  虽然我们人类通常建塔是由水平一层层搭建成的,但火蚁并不会通过先在底部堆积足够数量的蚂蚁后,再依次往上来造塔,而是四处乱窜,不断尝试向上攀爬,寻找空隙站稳脚跟,利用腿脚和嘴巴互相紧紧抓住相邻的同伴。它们会不断拓宽底部的地基以保证塔能够不断上升,塔变得越来越厚,越来越高。在这个过程中,形成一个完整的环是非常关键的,一个完整的环比不完整的环要稳定20到100倍。如果没有形成完整的环,就不能支持其他的火蚁再往上搭建另一个环。

  对人类的启示

  蚂蚁或许并不聪明,它们的大脑拥有的神经元还不及人类的万分之一,但就是这些成千上万“愚钝”的动物完成了这些令人惊叹的壮举。比如火蚁的个体很简单,但它们“遵循简单规则”,就构成了水上漂的火蚁筏,搭出了就看起来很复杂的高塔。

  同样的道理,材料学家们可以在制造机器人和建筑物方面借鉴它们的智慧。从根本上说,制造一群能够遵循简单规则的小机器人要比制造一个会变形、能执行复杂动作的精密机器人要容易得多。目前机器人专家在研制只需遵循简单指令,并与其他同类机器人联合一起执行复杂合作行为的小型机器人群,比如要疏通下水道时,就可以把这种机器人群放入其中,它们会像火蚁一样,互相组装成一个整体,且具有能够适应各种困境的调整能力,在顺利进入下水道底部后,执行复杂的检查和维修任务。

  我们研究的每一个生物体都比乍看起来要复杂得多。深入理解它们如何利用简单的规则形成复杂多样的结构,可在工程学、材料学和机器人学方面为我们提供设计灵感。