葉竹

速戰(zhàn)速決的螞蟻橋梁

在巴拿馬運(yùn)河中間，有一個巴羅科羅拉多島，這是一個熱帶小島，里面生活著成千上萬種奇特的熱帶生物。在一片翠綠的葉子上，一只行軍蟻正在急匆匆爬行，很快，它就爬上了樹枝。行軍蟻的視力很不好，它得靠著觸角聞其它螞蟻留下的化學(xué)信號辨別方向。

但隨后行軍蟻停止了前進(jìn)，在它的面前，沒有氣味線索，現(xiàn)在沒有可以攀爬的地方，樹枝斷為兩截，這只螞蟻只有0.5毫米長，但兩截樹枝之間的空隙長達(dá)30厘米，是它身長的600倍?？磥?，是過不去了。

然而，它也并沒有往回走。隨后，另外一些行軍蟻趕來了，它們爬上了它的身子，彼此用腳上的鉤子緊握，身體疊加起來，直到他們造出了填補(bǔ)這個30厘米空隙的空中橋梁。多達(dá)數(shù)百只螞蟻的覓食大軍浩浩蕩蕩穿過這座臨時橋梁。隨后，就像螞蟻迅速地造橋一樣，橋梁迅速“拆除”，螞蟻繼續(xù)他們的行程。

這一神奇的螞蟻橋梁讓研究者們驚嘆不已。螞蟻的視野只有3度，它們?nèi)绾文苤涝於嚅L的橋梁呢？在有限的腦力的情況下，這些生物又是如何取得這樣驚人的協(xié)調(diào)性的呢？解答這些問題，不僅能啟發(fā)工程師、數(shù)學(xué)家和機(jī)器人設(shè)計者，甚至可能為我們?nèi)祟愖约旱幕訋硪恍﹩l(fā)。

精準(zhǔn)判斷造橋的成本效益比

來自美國和德國的研究團(tuán)隊決定做一次實驗，看看螞蟻橋梁還有什么奧秘。研究者使用倒V形障礙物阻隔了螞蟻的覓食路徑。這個障礙物會迫使螞蟻分流，螞蟻要想前進(jìn)，必須穿過倒V字形，它們只有兩種選擇，要么首先朝左，然后朝右，爬完倒V字的兩邊，這顯然費(fèi)時費(fèi)力。另外一條捷徑就是螞蟻們可以在倒V兩邊的缺口之間架出一座橋梁。

不出所料，螞蟻確實會建橋來縮短路徑，而不是走倒V的長邊。然后，令研究者驚訝的是，造橋者并沒有選擇最短的路線，而是會做不少靈活的判斷。比如剛開始螞蟻群的造橋行為開始于倒V頂端附近，這時橋梁長度可以達(dá)到最短，但隨后“橋梁”會向下移動，橋會變得越來越長和越來越寬，為什么它們會這樣做呢？

原來，這些螞蟻在不斷增加螞蟻?zhàn)寴蜃冮L時，總路徑會縮短。不過，這一長度增加并不是任意的，研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)橋造到一定長度時，螞蟻們會停止造橋，主動拆掉，這又是為什么呢？

研究人員制作了一個計算機(jī)模型，以弄明白這種造橋方式能帶來什么效益。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，螞蟻選擇的造橋路徑是最好的成本效益權(quán)衡。也就是說，螞蟻軍隊能夠有效地管理它的資源，分配足夠的人手建造橋梁，而在同一時間又使覓食的螞蟻數(shù)量達(dá)到最大化。假如橋梁過長，通過的螞蟻過少，雖然省下了時間，但得不償失。

集體協(xié)調(diào)的智慧

由于螞蟻的行為不是像人類行為那樣有明確的目的，它們也不知道自己的行為是有什么意義的，這種集體合作行為就是一個相當(dāng)大的壯舉。那么，它們是怎么進(jìn)行協(xié)調(diào)工作的呢？

它們造橋的原理和集體搬東西的原理類似。研究發(fā)現(xiàn)，10多只團(tuán)結(jié)一致的螞蟻，能夠搬走超過它們自身體重5000倍的蛆或者別的食物，這相當(dāng)于10個平均體重70公斤的彪形大漢搬運(yùn)3500噸的重物，即平均每人搬運(yùn)350噸，除了它腿部的肌肉像個有效的肌肉發(fā)動機(jī)組，能產(chǎn)生巨大的動力外，他們協(xié)調(diào)集體行為的能力也是一個重要的原因。

想象一下，就算你和你的朋友不用太大力氣，搬動一張桌子，但彼此之間不好好協(xié)調(diào)，也沒法順利地前進(jìn)。螞蟻通過施加在食物上的力和檢測反作用力，不斷調(diào)整自身的行為，它們不是通過看，或者是聞味道，而是通過感應(yīng)到身上的力來不斷調(diào)整行為。

類似地，螞蟻靠檢測其他螞蟻踩在自己身上產(chǎn)生的力量來造橋。假如經(jīng)過螞蟻身上的螞蟻大軍非常多，螞蟻會感覺到重量，更多的螞蟻會加入到搭橋的隊伍中來，加寬加固橋梁，而一旦通過的螞蟻減少，重量減輕，螞蟻就會自動縮減橋梁。使用這個簡單的機(jī)制，螞蟻不斷修改長度、寬度和它們在橋梁的位置。

這種合作令人印象深刻，但它也是一個難題。我們知道群體行為的產(chǎn)生，往往是使得個體利益達(dá)到最大化。每個螞蟻真的能從中獲利？為什么一只行軍蟻愿意成為橋梁建筑段的一部分，甘心讓其他螞蟻踩著自己的身子通過？

研究者認(rèn)為，螞蟻之間并不是真正的彼此競爭，而是關(guān)系密切的兄弟姐妹，只有一個蟻后負(fù)責(zé)繁殖。就像單個生物體的細(xì)胞，一只螞蟻不是為自己謀取利益，而是為了整個種族。

啟發(fā)了集群智能研究

個別螞蟻的智慧可以忽略不計，集體的智慧卻像個“超級有機(jī)體”，能夠有獨(dú)特的行為和適應(yīng)能力，這種行為啟發(fā)了集群智能機(jī)器研究人員。

研究人員也希望研制出一個機(jī)器人集群方陣，在工作時像螞蟻那樣表現(xiàn)出一種集體智慧，但他們遇到的最大的挑戰(zhàn)是如何協(xié)調(diào)這些不怎么高智能的個體，螞蟻過橋行為或許可以啟發(fā)研究人員。例如，集群智能機(jī)器人可以采用一種新的分布式控制，取代中央處理單元的領(lǐng)導(dǎo)作用，機(jī)器人在地方一級響應(yīng)本地的交互動作，就像螞蟻一個個感受彼此之間施加的力及其反作用力一樣，這時不穩(wěn)定的個體也不會破壞整個系統(tǒng)。

目前最復(fù)雜的集群機(jī)器人由哈佛大學(xué)的研究人員創(chuàng)建。它由1000個小的、廉價的機(jī)器人使用本地級交互，相鄰的各層機(jī)器人參照前一層依次移動。不過，它們的用途還很小，只能組成一些復(fù)雜的二維圖像，比如星星形狀、字母K等。

螞蟻的集體智能還可以應(yīng)用于人類社會的方方面面，比如一個智能電網(wǎng)的管理電源。目前我們?nèi)祟惒捎玫闹醒肟刂频姆绞郊泄芾磉@些系統(tǒng)，但這種方式耗能巨大，而且一旦中央控制系統(tǒng)出了問題，整個電網(wǎng)就會癱瘓。而蟻群沒有中央控制，它們分散式的互動，更能迅速應(yīng)對各種突然變化，而且一個地方出現(xiàn)問題，不會危害整個集體。

此外，像疾病、交通擁堵、氣候災(zāi)難和環(huán)境污染、民主暴亂、股市動蕩等等，這些事故往往是數(shù)以萬計、百萬計甚至億萬計有局限性和不穩(wěn)定的單個元素或個體之間的互動來完成的，如果我們弄懂了螞蟻的智慧，或許會知道該如何處理這些問題。