火蚁是如何形成漂浮在水上的筏子的

美国研究人员利用模型揭示了帮助火蚁在洪水中生存的浮动“筏”背后的过程。

从基于猫头鹰翅膀的更安静的涡轮机来一种模仿荷叶表面的自清洁生物塑料在美国，从大自然中汲取灵感是一个富有成效的工程研究途径。通过利用进化中已经完善的系统和设计，科学家可以在为无数应用设计新材料和结构方面领先一步。

在最近的研究，来自美国科罗拉多大学博尔德分校机械工程系的两位研究人员研究了一群火蚁(火红蚁)形成类似筏子的结构，使它们能够漂浮在水面上。

火蚁筏是动态的，随着时间的推移会改变形状，由两层蚂蚁组成:一层形成筏的底部，另一层是自由移动的蚂蚁，在它们的朋友上面走动。

在这段时间流逝的镜头中，研究人员捕捉到一个火蚁筏从一个有长突出物的展开状态变成了一个更紧凑的形式。来源:华纳和弗纳利，PLOS计算生物学，2022年。

随着时间的推移，蚂蚁会从顶层切换到底层，反之亦然。

“整个事情就像一个甜甜圈形状的跑步机，”主要作者罗伯特·瓦格纳说。

后之前的研究他们描述了现实生活中形成筏子的蚂蚁的行为，两人开始理解这种行为背后的数学规则。

为此，他们设计了数学模型，试图复制蚂蚁的行为。

模拟使用了大约2000个“代理”来代替真正的蚂蚁，这些代理被编程来遵循一些简单的规则。例如，顶层的agent只能占据底层的agent所定义的空间——否则，蚂蚁就会掉进水里。

模拟能够捕捉到科学家们特别感兴趣的现象:从主要的火蚁筏上形成长长的“突出物”。

结果表明，这种突起是在蚂蚁更活跃时形成的。

科罗拉多大学博尔德分校的工程师开发了计算机模拟，试图重现火蚁筏的动力学。蓝点代表筏底的蚂蚁，红点代表在筏顶自由行走的蚂蚁。来源:华纳和弗纳利，PLOS计算生物学，2022年。

瓦格纳说:“在这些突出物顶端的蚂蚁几乎被推到水里，这导致了失控的效应。”

他认为这些突出的部分可以帮助漂浮的蚂蚁找到碎片或干燥的土地来定居。

重要的是，蚂蚁不需要有意识地寻找土地来形成突起——它们只需要遵循数学规则。

“这种行为本质上是自发发生的，”瓦格纳说。“蚂蚁不一定需要任何中央决策。”

资深作者Franck Vernerey说:“单个蚂蚁并不像人们想象的那么聪明，但是，当它们聚集在一起时，它们就会成为非常聪明和有弹性的群体。”

研究人员希望他们的发现可以帮助设计出遵循类似蚂蚁规则的群体机器人。

Vernerey说:“我们对火蚁的研究有望帮助我们理解如何编写简单的规则，比如通过算法规定机器人如何与其他机器人互动，以实现有针对性的智能群体反应。”