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蚂蚁地下城中有什么科学原理

蚁穴这种地下城是数百万蚂蚁的家园,它可深至地下25英尺,结构能稳定维持数十年。当地时间8月23日,美国加州理工学院的研究人员在《美国国家科学院院刊》上发表论文称,通过研究蚂蚁的挖掘习惯,他们揭开了蚁穴的建设秘密之一。这将有助于提高人类挖掘地下隧道的能力。

此前,论文作者、机械与土木工程教授JoseAndrade一直在探索一个问题:蚂蚁懂得如何挖隧道吗?还是它们只是盲目地挖?研究人员首先假设,蚂蚁会在泥土中摸索,寻找松散的泥土颗粒以便移除。那些无法移开的石块,也就是承重的石块,是蚁穴“力链”的一部分。“我们假设蚂蚁可以感觉到这些力链,并避免在那里挖掘。它们可能是在敲打土壤颗粒,这样就可以评估施加在这些颗粒上的机械力,”Andrade说。

为了进一步了解蚂蚁,Andrade与生物学和生物工程助理教授Joe Parker展开合作研究。他们发现:蚂蚁会尽可能地提高工作效率。它们会沿着杯子的内边缘挖隧道,这样杯子本身就可以充当隧道结构的一部分,从而减少工作量;蚂蚁还把隧道挖得尽可能直。“因为两点之间,直线最短,这是很有道理的。”Andrade说。

蚂蚁们也会尽力挖出陡峭的隧道,一直挖到“休止角”,即颗粒材料在崩塌前可以堆积的最大角度。Andrade说,蚂蚁能分辨挖洞时的角度有多陡,而且不会超过这个角度,它们的挖掘技术是符合物理定律的。

当蚂蚁移走土壤颗粒时,隧道周围的力链将发生微小变化,并重新排列,最终导致以下两种结果:力链巩固了隧道现有的墙壁;力链减轻了蚂蚁工作的隧道末端颗粒的压力,使蚂蚁能更轻易、安全地移走它们。

Parker说:“事实证明,蚂蚁在挖掘时受益于这些环向力链。但它们在挖掘的时候知道自己在做什么吗?”答案是:不知道。“它们没有系统地寻找沙子中的软点。相反,它们是逐渐演化为根据物理定律挖掘。”Parker称之为行为算法。“这种算法并不只在一只蚂蚁身上存在,而是所有工蚁的群体行为,它们就像超级有机体那样行动。但这种行为程序如何在蚂蚁中传播,我们仍无法解释。”

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编译:花花审稿:西莫 责编:陈之涵

期刊来源:《美国国家科学院院刊》

期刊编号:0027-8424

原文链接:https://phys.org/news/2021-08-science-ants-underground-cities.html

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