跟螞蟻學(xué)造橋

葉竹

速戰(zhàn)速?zèng)Q的螞蟻橋梁

在巴拿馬運(yùn)河中間，有一個(gè)巴羅科羅拉多島，這是一個(gè)熱帶小島，里面生活著成千上萬(wàn)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(shù)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(hào)辨別方向。

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

然而，它也并沒(méi)有往回走。隨后，另外一些行軍蟻趕來(lái)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(lái)，直到他們?cè)斐隽颂钛a(bǔ)這個(gè)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(guò)這座臨時(shí)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(zhǎng)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(wèn)題，不僅能啟發(fā)工程師、數(shù)學(xué)家和機(jī)器人設(shè)計(jì)者，甚至可能為我們?nèi)祟愖约旱幕?dòng)帶來(lái)一些啟發(fā)。

精準(zhǔn)判斷造橋的成本效益比

來(lái)自美國(guó)和德國(guó)的研究團(tuán)隊(duì)決定做一次實(shí)驗(yàn)，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(gè)障礙物會(huì)迫使螞蟻分流，螞蟻要想前進(jìn)，必須穿過(guò)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(shí)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(shí)會(huì)建橋來(lái)縮短路徑，而不是走倒V的長(zhǎng)邊。然后，令研究者驚訝的是，造橋者并沒(méi)有選擇最短的路線，而是會(huì)做不少靈活的判斷。比如剛開(kāi)始螞蟻群的造橋行為開(kāi)始于倒V頂端附近，這時(shí)橋梁長(zhǎng)度可以達(dá)到最短，但隨后“橋梁”會(huì)向下移動(dòng)，橋會(huì)變得越來(lái)越長(zhǎng)和越來(lái)越寬，為什么它們會(huì)這樣做呢？

原來(lái)，這些螞蟻在不斷增加螞蟻?zhàn)寴蜃冮L(zhǎng)時(shí)，總路徑會(huì)縮短。不過(guò)，這一長(zhǎng)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(zhǎng)度時(shí)，螞蟻們會(huì)停止造橋，主動(dòng)拆掉，這又是為什么呢？

研究人員制作了一個(gè)計(jì)算機(jī)模型，以弄明白這種造橋方式能帶來(lái)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(shuō)，螞蟻軍隊(duì)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(shí)間又使覓食的螞蟻數(shù)量達(dá)到最大化。假如橋梁過(guò)長(zhǎng)，通過(guò)的螞蟻過(guò)少，雖然省下了時(shí)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(gè)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?cè)鞓虻脑砗图w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(guò)它們自身體重5000倍的蛆或者別的食物，這相當(dāng)于10個(gè)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(gè)有效的肌肉發(fā)動(dòng)機(jī)組，能產(chǎn)生巨大的動(dòng)力外，他們協(xié)調(diào)集體行為的能力也是一個(gè)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(dòng)一張桌子，但彼此之間不好好協(xié)調(diào)，也沒(méi)法順利地前進(jìn)。螞蟻通過(guò)施加在食物上的力和檢測(cè)反作用力，不斷調(diào)整自身的行為，它們不是通過(guò)看，或者是聞味道，而是通過(guò)感應(yīng)到身上的力來(lái)不斷調(diào)整行為。

類似地，螞蟻靠檢測(cè)其他螞蟻踩在自己身上產(chǎn)生的力量來(lái)造橋。假如經(jīng)過(guò)螞蟻身上的螞蟻大軍非常多，螞蟻會(huì)感覺(jué)到重量，更多的螞蟻會(huì)加入到搭橋的隊(duì)伍中來(lái)，加寬加固橋梁，而一旦通過(guò)的螞蟻減少，重量減輕，螞蟻就會(huì)自動(dòng)縮減橋梁。使用這個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)制，螞蟻不斷修改長(zhǎng)度、寬度和它們?cè)跇蛄旱奈恢谩?/p>

這種合作令人印象深刻，但它也是一個(gè)難題。我們知道群體行為的產(chǎn)生，往往是使得個(gè)體利益達(dá)到最大化。每個(gè)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(guò)？

研究者認(rèn)為，螞蟻之間并不是真正的彼此競(jìng)爭(zhēng)，而是關(guān)系密切的兄弟姐妹，只有一個(gè)蟻后負(fù)責(zé)繁殖。就像單個(gè)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(gè)種族。

啟發(fā)了集群智能研究

個(gè)別螞蟻的智慧可以忽略不計(jì)，集體的智慧卻像個(gè)“超級(jí)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(gè)機(jī)器人集群方陣，在工作時(shí)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(gè)體，螞蟻過(guò)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(jí)響應(yīng)本地的交互動(dòng)作，就像螞蟻一個(gè)個(gè)感受彼此之間施加的力及其反作用力一樣，這時(shí)不穩(wěn)定的個(gè)體也不會(huì)破壞整個(gè)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(gè)小的、廉價(jià)的機(jī)器人使用本地級(jí)交互，相鄰的各層機(jī)器人參照前一層依次移動(dòng)。不過(guò)，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(huì)的方方面面，比如一個(gè)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(wèn)題，整個(gè)電網(wǎng)就會(huì)癱瘓。而蟻群沒(méi)有中央控制，它們分散式的互動(dòng)，更能迅速應(yīng)對(duì)各種突然變化，而且一個(gè)地方出現(xiàn)問(wèn)題，不會(huì)危害整個(gè)集體。

此外，像疾病、交通擁堵、氣候?yàn)?zāi)難和環(huán)境污染、民主暴亂、股市動(dòng)蕩等等，這些事故往往是數(shù)以萬(wàn)計(jì)、百萬(wàn)計(jì)甚至億萬(wàn)計(jì)有局限性和不穩(wěn)定的單個(gè)元素或個(gè)體之間的互動(dòng)來(lái)完成的，如果我們弄懂了螞蟻的智慧，或許會(huì)知道該如何處理這些問(wèn)題。