火蟻也懂建築學

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

前不久，美國休斯頓及其周邊地區發生了一場大洪水。這時候，網路社交媒體上一張關於火蟻的照片火了起來，上面無數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，火蟻筏也被發現於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，熱帶風暴「辛迪」引發的洪水中也漂浮著一些火蟻筏。明智的人在划艇穿越這些洪水的淹沒地區時，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，並爬上你的身體。

可漂在水上的火蟻筏

巴西的熱帶雨林降雨量大，洪水頻發。但是，發洪水時當地的一種紅火蟻會集體傾巢出動，把腿和嘴互相鉤在一起，迅速組裝，在不到兩分鐘內集結成千上萬的夥伴，並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構，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，美國喬治亞理工學院的大衛·胡就試圖通過實驗觀察來研究這些火蟻筏的物理特性。他們發現，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，並且就像疏水布料一樣不會被水潤濕。但如果撤去這個外力，它們又會自我調整恢復原來的形狀。也就是說火蟻筏很有彈性，兼具固體和液體的性質，有點類似受擠壓後可回彈的橡膠材料。

這種能力可以讓火蟻應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裡泛起陣陣波浪時，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，由於無法築巢，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，可以幫助它們棲身於植物葉子形成的天然雨傘下，躲避風雨。

那麼，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，並通過直接接觸到的信息來調控自己的行為。

研究人員在培養皿中放置了一群火蟻，並在中間用一個垂直的杆子模擬植物的莖稈。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。在觀測了不同數量的火蟻建造的塔後，他們建立了一個數學模型，用以描述構建高塔時每層所需螞蟻數量，且發現法國建築師古斯塔夫·埃菲爾當年也使用相似的原理，設計了那座著名的埃菲爾鐵塔。

雖然我們人類通常建塔是由水平一層層搭建成的，但火蟻並不會通過先在底部堆積足夠數量的螞蟻后，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，形成一個完整的環是非常關鍵的，一個完整的環比不完整的環要穩定20到100倍。如果沒有形成完整的環，就不能支持其他的火蟻再往上搭建另一個環。

對人類的啟示

螞蟻或許並不聰明，它們的大腦擁有的神經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「遵循簡單規則」，就構成了水上漂的火蟻筏，搭出了就看起來很複雜的高塔。

同樣的道理，材料學家們可以在製造機器人和建築物方面借鑒它們的智慧。從根本上說，製造一群能夠遵循簡單規則的小機器人要比製造一個會變形、能執行複雜動作的精密機器人要容易得多。目前機器人專家在研製只需遵循簡單指令，並與其他同類機器人聯合一起執行複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，且具有能夠適應各種困境的調整能力，在順利進入下水道底部後，執行複雜的檢查和維修任務。

我們研究的每一個生物體都比乍看起來要複雜得多。深入理解它們如何利用簡單的規則形成複雜多樣的結構，可在工程學、材料學和機器人學方面為我們提供設計靈感。

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