會看路標、自帶導航！小螞蟻倒著也能走回家
科技日報記者 張景陽
昆蟲一直是現代科學研究的主要對象之一，隨著科技的進步，人類研究昆蟲，也早已從基礎研究走向了技術應用，例如毫不起眼的螞蟻。
近日有媒體報道稱，研究人員通過對「螞蟻搬家」行為的進一步研究發現：螞蟻使用多種方法來尋找自己的路，即使在後退時，它們也能識別熟悉的風景，對於這樣的小昆蟲來說，這是一種高度複雜的視覺。
是什麼賦予了螞蟻如此強大的路徑識別能力？螞蟻的生物功能對於現代科學技術有哪些啟發和應用幫助呢？
螞蟻認路不光靠眼睛看
「如果只觀察而不干擾，螞蟻外出覓食和返回巢穴的全過程基本很順利，即使途中有停頓，但幾乎不會走彎路；但是如果對螞蟻走過的地方進行阻斷和干擾，螞蟻在走到被干擾地點時就會原地打轉，或者先後向不同的幾個方向試探前進，最終又回到原地。」內蒙古生物技術研究院生物材料創新工作室高級工程師張志剛在接受科技日報記者採訪時表示，早年間，他在研究螞蟻體內營養成分的時候，閑暇時也曾對螞蟻識別路徑的能力做過一些實驗。「我們發現，即使是拖著沉重的食物倒行，只要螞蟻走過的路徑不被干擾，它們仍然能夠順利、快速返回巢穴。」
螞蟻這種識途本領是否完全依靠視覺呢？有研究表明，螞蟻的眼睛是由成百上千的單眼結構構成的複眼，但如此多的眼睛並沒有幫助螞蟻更好地洞悉周圍發生的一切，因為它的視力只有人類平均視力的十分之一。
一個研究小組通過對西班牙沙漠螞蟻的研究發現，螞蟻使用多種方法來找到自己的路，即使它們向後走，也可以識別出熟悉的路線。
西班牙沙漠螞蟻在向前走時，使用了一種稱為「路徑整合」的策略：它們記得自己走過的曲折感覺以及從巢穴走了幾步，用於計算最快的回家路線。
它們還依靠太陽的角度來獲取方位，環顧四周的景色，並記住某些可以幫助他們返回的地標。但是，螞蟻在向後走時，是否也能採用向前走時的策略呢？
有英國科學家研究發現，實際上螞蟻是使用每個步幅，並測量每個步幅大小，來完成倒退行走的。他們認為，螞蟻通過測量步幅大小來實現倒退導航的，因為它們能夠精確測量自己行走的距離，甚至每個腿分別移動的距離。
然而同時，有一個事實令他們感到困惑：當所有定位巢穴的視覺和氣味線索都是錯誤的方向時，為什麼螞蟻仍能沿著正確的方向倒退行走？
對此，近期一項同樣來自於歐洲的研究結論似乎可以予以補充：螞蟻的眼睛有很寬的視角——有近360度的視野，而人類在不轉頭的情況下，只能看到它們周圍1/3的環境。當螞蟻離開巢穴時，它們很可能會從身旁和身後獲取信息，然後在拖拽食物時利用這些信息「導航」。
愛丁堡大學信息技術教授芭芭拉·韋柏在研究了螞蟻的導航功能後表示：「螞蟻不僅依靠觀察沿途景觀來認路，而且腦內還有精準的導航。它們甚至懂得在天空做標記，讓自己每次都能順利找到回家的路線。」
張志剛介紹說：「現在全球大量的研究證明，螞蟻識途，依靠的是一整套極其複雜的系統，而這個系統，不僅僅包括視覺，還包括視覺記憶、氣味、甚至天文學原理。」
時至今日，螞蟻的識途本領仍在不斷刷新著科學家們的認知。
受螞蟻啟發的新型導航
上世紀90年代初，一個名為「蟻群演算法」（又稱「螞蟻演算法」）的概念的提出，正式開啟了螞蟻導航功能的應用研究。「蟻群演算法」的提出者、布魯塞爾自由大學的計算機科學家馬爾科·多里戈認為，人類完全可以利用螞蟻行為中的知識創造可用來解決複雜人類問題的數學方法，比如安排卡車運輸路線、調度航班或制導軍事機器人。
隨著理論的不斷完善，蟻群演算法逐步從螞蟻的活動範圍、生活環境、覓食規則、移動規則、避障規則、信息素規則等方面入手，研究出一系列適用於人類活動的優化計算方法。
基於這樣的計算原理，發達國家的技術應用已經見到實效。2019年年初，法國科學家開發出一種能像螞蟻一樣導航的六足機器人，命名為「antbot」。這種六足機器人的導航系統借鑒了沙漠螞蟻的導航原理，即覓食的螞蟻能通過留在地上的信息素找到返回棲息地的路。
依靠現代科技，這種機器人還配備了一個用於根據天空中的偏振光檢查其航向的光學羅盤，以及一個用於直觀地確定它從起點到終點需要走多遠的光學運動感測器。據報道，這樣的設置允許機器人探索周圍14米（46英尺）的總距離，並以精確度高達1厘米（0.4英寸）的速度回到基地。
張志剛告訴記者：「事實上，我國的科學家也已經開始了蟻群演算法的應用研究，研究方向主要是導航計算方法和導航產品研發；蟻群演算法是一種用來在圖中尋找優化路徑的機率型演算法，具有明確的反饋機制、並行分散式計算及良好的自啟發機制等優點，在求解龐雜的組合優化問題方面具有明顯的優越性。」
張志剛表示，在不久的將來，我們完全可以製造出一種導航系統模型，而這種導航系統，可以將路上行駛的每台車輛視為一隻螞蟻，每輛在行駛過程中的車輛，通過導航終端將所經過的路徑長度、通行時延等評判信息實時上傳至導航中心伺服器端。「當後續車輛進行尋路導航時，導航系統可根據其他車輛的實時反饋評判信息，對該車輛可能行駛的路線進行評判，從而可以求解出最優的路線作為車輛的行駛方向和路線。」
