欧博注册(www.aLLbetgame.us):一个隐藏在地下城中的谜题

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想象一个蚁冢的样子,脑海中会泛起怎样的画面?一个平平无奇的小沙堆,草坪上拱起的看似一戳即破的土堆?……这样的画面,似乎确实没什么值得一提的……

草坪上的一堆堆蚁冢。 | Hans / Pixabay

但事实真的云云吗?对科学家和工程师来说,谜底是否认的。

在蚁冢简朴外表之下,隐藏着惊人的庞大性。在没有机械和加固质料的辅助下,蚂蚁可以制作出向地下延伸数米的隧道,隧道的每个分支都通向有专门用处的“房间”――有的是蚁后的住所,有的是幼蚁的培育基地,有的是存储食物的园地,另有的被用作为垃圾场……可以说,蚂蚁搭建的不仅仅是窟窿,而是一座地下城,可以承载数百万蚂蚁在其中生涯数十年。

一个蚂蚁筑的巢的例子。 | F. Badland

蚂蚁的这种制作能力令人震撼。实在,在工程学和蚂蚁生态学中,蚂蚁若何缔造出这些能够维持数十年的庞然大物一直是个谜。一些研究职员不禁思索,当人类在举行采矿、地铁修建、地下农场制作等项目时,是否能够从蚂蚁缔造的隧道结构中获得提高挖掘能力的灵感?

现在,加州理工学院的一组研究职员就从蚂蚁身上习得了一个关于制作这种庞大而又极其稳固的结构的隐秘,他们将研究效果揭晓在了近期的《美国国家科学院院刊》上。

在最先这项研究之前,研究职员思索了这样一个问题:蚂蚁是否“知晓”若何挖掘隧道,照样它们只是在举行盲目地挖掘?

研究职员虽然无法“采访”蚂蚁,询问它们的想法。但他们首先假设,这些结构庞大的隧道是蚂蚁们“有意为之”的。他们嫌疑是蚂蚁会去“感受”土壤,寻找宽松的土壤颗粒然后将它们去除,这就和人类在玩“叠叠乐”时一样,把挑那些松散的积木块挑选出来然后移除,而那些稳固一些的无法被移开的积木,则是承重积木,也就是这座修建里的“力链”。在他们的假设中,蚂蚁可以感受到这些力链,然后阻止在那里举行挖掘。

叠叠乐。 | Engin_Akyurt / Pixabay

蚂蚁果真云云吗?为了领会蚂蚁,研究团队向研究蚂蚁的顺应性和整体行为的生物学家求助。在生物学家加入后,研究团队最先在容器中培育蚂蚁,并学习若何与它们互助。这个历程花了快要一年的时间。通过这些事情,研究职员确定了培育蚂蚁的最佳容器巨细,以及每个容器中最理想的蚂蚁数目。

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每当蚂蚁最先动工挖掘容器中的土壤时,研究职员就会每隔10分钟对这些容器举行高分辨率X射线扫描,从而天生容器内的所有内部结构的三维扫描图,以此来捕捉每一只蚂蚁和每一颗土壤的位置,成像历程长达20小时

成像效果为研究职员提供了与每个隧道形状有关简直切细节,并让他们领会到哪些土壤颗粒在隧道的挖掘历程中被移除了。然后,研究团队行使这些扫描成像确立了一个异常准确的盘算机模子,并用它来剖析作用在隧道上的力。在模子中,他们重修了每个颗粒的巨细、形状和偏向,盘算出每个颗粒所受的力的偏向和巨细。

通过X射线扫描成像效果,研究职员确立了一个盘算机3D模子。 | Caltech

此外,研究职员在剖析蚂蚁的挖掘时还发现了蚂蚁的一些事情模式。首先,蚂蚁会沿着容器的内缘挖掘,由于容器自己可以充当隧道结构的一部门,从而削减了它们的事情量。此外,它们还会将隧道挖得尽可能的直,这是很合理的, 由于直线是平面上的两点之间的最短路径。这两点连系在一起解释,蚂蚁的事情异常高效

不仅云云,他们还发现蚂蚁会尽可能地将它们的隧道挖得陡峭,一直挖到所谓的自然坡度角。自然坡度较指的是颗粒质料在崩塌前所能聚积的最大角度。当我们在制作一个沙堆时,每加入一勺沙子都市使得它们顺着已经堆好的沙子滑下去。越多的沙子会使沙堆堆得越高、越宽,但永远不会越陡峭。但若是在堆砌时使用的是湿润的沙子,那么就能够把沙堆堆砌得足够陡峭,从而用以制作沙墙、沙塔、沙堡等其他结构。湿润的沙子比干燥的沙子有更高的自然坡度角。每一种颗粒物质都有其怪异的自然坡度角,蚂蚁能分辨出它们挖掘时的角度有多陡,而且不会跨越这个角度。

如沙子一类的颗粒状物质在崩塌前可以聚积的最大角度被称为自然坡度角。 | Andy Arthur/Creative Commons

当蚂蚁移走土壤颗粒时,它们会导致隧道周围的力链发生玄妙的重新排列。这些力链在蚂蚁最先挖掘之前是随机的,然后在隧道的外围重新排列。当泛起这样的情形时,会发生两种征象:一是力链会增强隧道现有的壁,二是在蚂蚁正在挖掘的隧道末尾,力链能减轻末尾颗粒的压力,使蚂蚁更容易平安地将它们移走。事实证实,通过以这种模式移除土壤颗粒,蚂蚁在挖掘时受益于这些环向力链。

左侧的力链是随机漫衍的;右侧的力链重新排列过,将蚂蚁挖的隧道包裹起来。 | Caltech

现在,让我们回到文章开头提到的问题:蚂蚁在挖掘的时刻知道自己在做什么吗?

研究职员以为,蚂蚁似乎并不“知道”自己在做什么,它们并没有系统地寻找沙子中的软点,而是进化出了凭证物理定律举行挖掘的能力。研究职员将这种征象称为行为算法。这种算法并不存在于某一只特定的蚂蚁身上,这是所有工蚁涌现出的一种群体行为。研究职员无法注释这种行为程序是若何在所有蚂蚁小小的大脑中流传的,这是自然界的一个事业。

研究小组希望,或许科学家可以最先研究一种人工智能方式来模拟这种行为算法,这样就可以在电脑上模拟蚂蚁事实是若何挖掘的。

参考泉源

[1]https://www.caltech.edu/about/news/the-science-of-underground-kingdoms

[3]https://www.newscientist.com/article/2287862-ants-use-soil-physics-to-excavate-metre-long-tunnels-that-last-decades/

编译:糖兽

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