蚂蚁地下城中的科学原理

蚁穴这种地下城是数百万蚂蚁的家园，它可深至地下25英尺，结构能稳定维持数十年。当地时间8月23日，美国加州理工学院的研究人员在《美国国家科学院院刊》上发表论文称，通过研究蚂蚁的挖掘习惯，他们揭开了蚁穴的建设秘密之一。这将有助于提高人类挖掘地下隧道的能力。

此前，论文作者、机械与土木工程教授Jose Andrade一直在探索一个问题：蚂蚁懂得如何挖隧道吗？还是它们只是盲目地挖？研究人员首先假设，蚂蚁会在泥土中摸索，寻找松散的泥土颗粒以便移除。那些无法移开的石块，也就是承重的石块，是蚁穴“力链”的一部分。“我们假设蚂蚁可以感觉到这些力链，并避免在那里挖掘。它们可能是在敲打土壤颗粒，这样就可以评估施加在这些颗粒上的机械力，”Andrade说。

为了进一步了解蚂蚁，Andrade与生物学和生物工程助理教授Joe Parker展开合作研究。他们发现：蚂蚁会尽可能地提高工作效率。它们会沿着杯子的内边缘挖隧道，这样杯子本身就可以充当隧道结构的一部分，从而减少工作量；蚂蚁还把隧道挖得尽可能直。“因为两点之间，直线最短，这是很有道理的。”Andrade说。

蚂蚁们也会尽力挖出陡峭的隧道，一直挖到“休止角”，即颗粒材料在崩塌前可以堆积的最大角度。Andrade说，蚂蚁能分辨挖洞时的角度有多陡，而且不会超过这个角度，它们的挖掘技术是符合物理定律的。

当蚂蚁移走土壤颗粒时，隧道周围的力链将发生微小变化，并重新排列，最终导致以下两种结果：力链巩固了隧道现有的墙壁；力链减轻了蚂蚁工作的隧道末端颗粒的压力，使蚂蚁能更轻易、安全地移走它们。

Parker说：“事实证明，蚂蚁在挖掘时受益于这些环向力链。但它们在挖掘的时候知道自己在做什么吗？”答案是：不知道。“它们没有系统地寻找沙子中的软点。相反，它们是逐渐演化为根据物理定律挖掘。”Parker称之为行为算法。“这种算法并不只在一只蚂蚁身上存在，而是所有工蚁的群体行为，它们就像超级有机体那样行动。但这种行为程序如何在蚂蚁中传播，我们仍无法解释。”

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编译：花花 审稿：西莫 责编：陈之涵

期刊来源：《美国国家科学院院刊》

期刊编号：0027-8424

原文链接：https://phys.org/news/2021-08-science-ants-underground-cities.html

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