蚂蚁利用集体 “脑力 “来绕开障碍物

以色列魏茨曼科学研究所的一项新研究发现,蚂蚁利用它们的数量来克服任何一个个体都无法解决的导航挑战。

研究结果证明了群体生活和集体认知在使特定环境适合一个物种生存的潜在优势。

魏茨曼科学研究所的博士后研究员阿维拉姆·基尔布(Aviram Gelblum)说:”合作是动物提高认知能力的一种常见手段,我们很想知道这种合作是否能让蚂蚁扩大环境的范围,从而有效地收集食物。我们通过研究蚂蚁在试图通过半自然环境运输大件物品时的合作运输来解决这个问题。”

通过在一个半自然的迷宫中随机铺设同样大小的立方体,模仿随机的石块状地形,创造了一个半自然的迷宫。然后,实验蚂蚁在携带食物到目标,并利用图像处理技术提取了食物装载量、蚂蚁和方块的坐标。随着立方体的数量增加,迷宫变得越来越复杂,蚂蚁们的解谜速度也越来越慢。在立方体覆盖率高达55%的情况下,它们仍然能够通过迷宫,但在60%的覆盖率时,大多数迷宫在物理上变得无法通过。重要的是,方块所带来的挑战对单个蚂蚁来说几乎是看不见的,这些蚂蚁可以很容易地通过被堵住的路径穿越迷宫,而这些路径的负荷要大得多。

然后,研究小组将蚂蚁的表现与一个成熟的运动模型进行了比较。在这个模型中,方向会随着撞击障碍物(在本例中,是一个立方体表面)的物理反馈而改变,从而最终发现了通过的途径。他们发现,除了最简单的立方体配置外,蚂蚁的表现都优于计算机模型。与计算机模型相比,迷宫中的立方体数量越多,蚂蚁的解法就越好。

为了弄清楚蚂蚁的表现如何优于计算机模型,科学家们研究了蚂蚁是如何花更多的时间远离它们试图到达的目标。这种运动的变化不能完全由遇到立方体时的物理反馈来解释。然而,众所周知,蚂蚁的集体运动是由领头的蚂蚁引导的,它们感知到了周围的信息,但它并没有承担起这个负担。

当研究小组对这些领袖蚂蚁进行更仔细的观察时,发现它们从携带的蚁群中散布在一个环形区域内,外围半径可达10厘米。虽然只有几只蚂蚁在这么远的范围内,但即使是一只领头的蚂蚁,也能将蚁群引导并引导到10厘米的范围内,避免了物理障碍。

他们还注意到,当工作蚂蚁被卡住时,领头蚁会不断向工作蚂蚁群提出可能的穿越路线。然后通过协调运动,让整个蚁群探索建议的路线,直到找到一条绕过障碍物的逃生路线。通过这种方式,蚂蚁们能够将自己的感应范围扩大到了近距离之外,并有可能更好地了解自己所面临的障碍物。

为了看看这种扩大的感应范围是否是解决迷宫的关键,团队测试了这种 “感应 “是否能提高计算机避开方块的能力。正如预期的那样,将传感范围设置为与蚂蚁的传感范围相匹配,使计算机模型能够与蚂蚁在迷宫中的表现相匹配。相比之下,将传感范围增加到蚂蚁的传感范围以上,对计算机的性能没有任何影响,这表明蚂蚁已经为那个特定的迷宫找到了最佳的传感范围。

魏茨曼科学学院复杂系统物理系教授亨利·J·里尔(Henry J. Leir)教授总结道:”我们已经证明,在这种环境下,蚂蚁利用它们的数量优势集体扩大了它们的感知范围。虽然这种扩展是适度的,但它可以实现极快的穿越时间,比已知的物理运动模型在无序环境中的导航时间还要好。”

《eLife》开放期刊上刊登了这一研究报告。

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