江葉離

提到螞蟻，你的第一反應(yīng)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(dāng)它們成群結(jié)隊(duì)的時(shí)候，其爆發(fā)的力量往往不容小覷。

前不久，美國(guó)休斯頓及其周邊地區(qū)發(fā)生了一場(chǎng)大洪水。這時(shí)候，網(wǎng)絡(luò)社交媒體上一張關(guān)于火蟻的照片火了起來(lái)，上面無(wú)數(shù)的火蟻密密麻麻地團(tuán)在一起，像一片木筏一樣漂浮在水面上。

無(wú)獨(dú)有偶，在2015年的一次大洪水中，火蟻筏也被發(fā)現(xiàn)于美國(guó)南卡羅來(lái)納州查爾斯頓的西北部。2017年6月下旬，在美國(guó)得克薩斯州的牙買加海灘，熱帶風(fēng)暴“辛迪”引發(fā)的洪水中也漂浮著一些火蟻筏。明智的人在劃艇穿越這些洪水的淹沒(méi)地區(qū)時(shí)，會(huì)避免用槳接觸這些火蟻，也不要試圖把它們拆開(kāi)，因?yàn)檫@些螞蟻能順著槳上船，并爬上你的身體。

可漂在水上的火蟻筏

巴西的熱帶雨林降雨量大，洪水頻發(fā)。但是，發(fā)洪水時(shí)當(dāng)?shù)氐囊环N紅火蟻會(huì)集體傾巢出動(dòng)，把腿和嘴互相鉤在一起，迅速組裝，在不到兩分鐘內(nèi)集結(jié)成千上萬(wàn)的伙伴，并擴(kuò)散形成一個(gè)圓形的“薄餅”，以搭建出一個(gè)木筏般不會(huì)下沉的結(jié)構(gòu)，可以在水面上漂浮好幾個(gè)小時(shí)，甚至好幾周，必要時(shí)還可以堅(jiān)持到洪水退去。

研究人員對(duì)火蟻的這種行為很感興趣，美國(guó)喬治亞理工學(xué)院的大衛(wèi)·胡就試圖通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察來(lái)研究這些火蟻筏的物理特性。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)他們用一根棍子將火蟻筏用力向下按時(shí)，火蟻們會(huì)緊緊相依，整體隨著作用力彎曲和伸展，不會(huì)散開(kāi)，并且就像疏水布料一樣不會(huì)被水潤(rùn)濕。但如果撤去這個(gè)外力，它們又會(huì)自我調(diào)整恢復(fù)原來(lái)的形狀。也就是說(shuō)火蟻筏很有彈性，兼具固體和液體的性質(zhì)，有點(diǎn)類似受擠壓后可回彈的橡膠材料。

這種能力可以讓火蟻應(yīng)對(duì)它們?cè)谟炅制r(shí)可能遇到的障礙物，比如落下的小石頭在水坑里泛起陣陣波浪時(shí)，它們不會(huì)被淹死。

造高塔也不在話下

此外，把同樣的火蟻堆放在堅(jiān)實(shí)的地面上，由于無(wú)法筑巢，所以在遇到植物莖稈時(shí)，它們會(huì)順著莖稈往上攀爬，形成一個(gè)堅(jiān)實(shí)的塔，有時(shí)塔的高度可達(dá)它們體長(zhǎng)的30倍。螞蟻塔是一種臨時(shí)的營(yíng)地，可以幫助它們棲身于植物葉子形成的天然雨傘下，躲避風(fēng)雨。

那么，火蟻是如何形成這樣高塔的？實(shí)際上，螞蟻依靠觸覺(jué)和嗅覺(jué)，而不是視覺(jué)來(lái)感知世界，所以它們只能感覺(jué)到離自己很近的東西，并通過(guò)直接接觸到的信息來(lái)調(diào)控自己的行為。

研究人員在培養(yǎng)皿中放置了一群火蟻，并在中間用一個(gè)垂直的桿子模擬植物的莖稈。首先他們觀察到火蟻搭成的這個(gè)高塔是底部寬上頭窄的形狀，像個(gè)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(lái)支持上層螞蟻的重量。在觀測(cè)了不同數(shù)量的火蟻建造的塔后，他們建立了一個(gè)數(shù)學(xué)模型，用以描述構(gòu)建高塔時(shí)每層所需螞蟻數(shù)量，且發(fā)現(xiàn)法國(guó)建筑師古斯塔夫·埃菲爾當(dāng)年也使用相似的原理，設(shè)計(jì)了那座著名的埃菲爾鐵塔。

雖然我們?nèi)祟愅ǔ＝ㄋ怯伤揭粚訉哟罱ǔ傻?，但火蟻并不?huì)通過(guò)先在底部堆積足夠數(shù)量的螞蟻后，再依次往上來(lái)造塔，而是四處亂竄，不斷嘗試向上攀爬，尋找空隙站穩(wěn)腳跟，利用腿腳和嘴巴互相緊緊抓住相鄰的同伴。它們會(huì)不斷拓寬底部的地基以保證塔能夠不斷上升，塔變得越來(lái)越厚，越來(lái)越高。在這個(gè)過(guò)程中，形成一個(gè)完整的環(huán)是非常關(guān)鍵的，一個(gè)完整的環(huán)比不完整的環(huán)要穩(wěn)定20到100倍。如果沒(méi)有形成完整的環(huán)，就不能支持其他的火蟻再往上搭建另一個(gè)環(huán)。

對(duì)人類的啟示

螞蟻或許并不聰明，它們的大腦擁有的神經(jīng)元還不及人類的萬(wàn)分之一，但就是這些成千上萬(wàn)“愚鈍”的動(dòng)物完成了這些令人驚嘆的壯舉。比如火蟻的個(gè)體很簡(jiǎn)單，但它們“遵循簡(jiǎn)單規(guī)則”，就構(gòu)成了水上漂的火蟻筏，搭出了就看起來(lái)很復(fù)雜的高塔。

同樣的道理，材料學(xué)家們可以在制造機(jī)器人和建筑物方面借鑒它們的智慧。從根本上說(shuō)，制造一群能夠遵循簡(jiǎn)單規(guī)則的小機(jī)器人要比制造一個(gè)會(huì)變形、能執(zhí)行復(fù)雜動(dòng)作的精密機(jī)器人要容易得多。目前機(jī)器人專家在研制只需遵循簡(jiǎn)單指令，并與其他同類機(jī)器人聯(lián)合一起執(zhí)行復(fù)雜合作行為的小型機(jī)器人群，比如要疏通下水道時(shí)，就可以把這種機(jī)器人群放入其中，它們會(huì)像火蟻一樣，互相組裝成一個(gè)整體，且具有能夠適應(yīng)各種困境的調(diào)整能力，在順利進(jìn)入下水道底部后，執(zhí)行復(fù)雜的檢查和維修任務(wù)。

我們研究的每一個(gè)生物體都比乍看起來(lái)要復(fù)雜得多。深入理解它們?nèi)绾卫煤?jiǎn)單的規(guī)則形成復(fù)雜多樣的結(jié)構(gòu)，可在工程學(xué)、材料學(xué)和機(jī)器人學(xué)方面為我們提供設(shè)計(jì)靈感。