螞蟻利用集體 “腦力 “來繞開障礙物

以色列魏茨曼科學研究所的一項新研究發現,螞蟻利用它們的數量來克服任何一個個體都無法解決的導航挑戰。

研究結果證明了群體生活和集體認知在使特定環境適合一個物種生存的潛在優勢。

魏茨曼科學研究所的博士後研究員阿維拉姆·基爾布(Aviram Gelblum)說:”合作是動物提高認知能力的一種常見手段,我們很想知道這種合作是否能讓螞蟻擴大環境的範圍,從而有效地收集食物。我們通過研究螞蟻在試圖通過半自然環境運輸大件物品時的合作運輸來解決這個問題。

通過在一個半自然的迷宮中隨機鋪設同樣大小的立方體,模仿隨機的石塊狀地形,創造了一個半自然的迷宮。然後,實驗螞蟻在攜帶食物到目標,並利用圖像處理技術提取了食物裝載量、螞蟻和方塊的坐標。隨著立方體的數量增加,迷宮變得越來越複雜,螞蟻們的解謎速度也越來越慢。在立方體覆蓋率高達55%的情況下,它們仍然能夠通過迷宮,但在60%的覆蓋率時,大多數迷宮在物理上變得無法通過。重要的是,方塊所帶來的挑戰對單個螞蟻來說幾乎是看不見的,這些螞蟻可以很容易地通過被堵住的路徑穿越迷宮,而這些路徑的負荷要大得多。

然後,研究小組將螞蟻的表現與一個成熟的運動模型進行了比較。在這個模型中,方向會隨著撞擊障礙物(在本例中,是一個立方體表面)的物理反饋而改變,從而最終發現了通過的途徑。他們發現,除了最簡單的立方體配置外,螞蟻的表現都優於計算機模型。與計算機模型相比,迷宮中的立方體數量越多,螞蟻的解法就越好。

為了弄清楚螞蟻的表現如何優於計算機模型,科學家們研究了螞蟻是如何花更多的時間遠離它們試圖到達的目標。這種運動的變化不能完全由遇到立方體時的物理反饋來解釋。然而,眾所周知,螞蟻的集體運動是由領頭的螞蟻引導的,它們感知到了周圍的信息,但它並沒有承擔起這個負擔。

當研究小組對這些領袖螞蟻進行更仔細的觀察時,發現它們從攜帶的蟻群中散佈在一個環形區域內,外圍半徑可達10厘米。雖然只有幾隻螞蟻在這麼遠的範圍內,但即使是一隻領頭的螞蟻,也能將蟻群引導並引導到10厘米的範圍內,避免了物理障礙。

他們還注意到,當工作螞蟻被卡住時,領頭蟻會不斷向工作螞蟻群提出可能的穿越路線。然後通過協調運動,讓整個蟻群探索建議的路線,直到找到一條繞過障礙物的逃生路線。通過這種方式,螞蟻們能夠將自己的感應範圍擴大到了近距離之外,並有可能更好地了解自己所面臨的障礙物。

為了看看這種擴大的感應範圍是否是解決迷宮的關鍵,團隊測試了這種 “感應 “是否能提高計算機避開方塊的能力。正如預期的那樣,將傳感範圍設置為與螞蟻的傳感範圍相匹配,使計算機模型能夠與螞蟻在迷宮中的表現相匹配。相比之下,將傳感範圍增加到螞蟻的傳感範圍以上,對計算機的性能沒有任何影響,這表明螞蟻已經為那個特定的迷宮找到了最佳的傳感範圍。

魏茨曼科學學院複雜系統物理系教授亨利·J·里爾(Henry J. Leir)教授總結道:”我們已經證明,在這種環境下,螞蟻利用它們的數量優勢集體擴大了它們的感知範圍。雖然這種擴展是適度的,但它可以實現極快的穿越時間,比已知的物理運動模型在無序環境中的導航時間還要好。”

《eLife》開放期刊上刊登了這一研究報告。

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