尽管没有机械和加固材料的帮助,蚁群可以下降到地下几米,容纳数百万只昆虫并持续数十年。这些令人印象深刻的建筑结构的秘密正在通过 3D X 射线成像和计算机模拟揭示,并可用于开发机器人采矿机。


还以为蚂蚁只会搬家呢?原来蚂蚁这么聪明,利用土壤物理学挖掘数米长隧道


加州理工学院的José Andrade和他的同事在一个装有 500 毫升土壤和 15 只西部收获蚁 ( Pogonomyrmex occidentalis )的容器中建立了微型蚁群。然后每 10 分钟通过高分辨率 X 射线扫描捕获每只蚂蚁和每粒土壤的位置,持续 20 小时。


X 射线结果为研究人员提供了关于每个隧道形状的准确细节,以及被移除的颗粒以创建它。然后,该团队使用这些扫描创建了一个计算机模型,以了解作用在隧道上的力。在模型中重新创建了每个颗粒的大小、形状和方向,并且可以计算每个颗粒上的力的方向和大小,包括重力、摩擦力和湿度引起的内聚力。该模型精确到扫描仪的 0.07 毫米分辨率。


结果表明,当蚂蚁挖掘时,土壤中的力倾向于环绕隧道轴线,在土壤中形成团队所说的“拱门”,其直径大于隧道本身。这减少了作用在拱门内土壤颗粒上的载荷,蚂蚁正在此处建造隧道。因此,蚂蚁可以轻松去除这些颗粒以延长隧道,而不会造成塌陷。拱门还使隧道更坚固、更耐用。


“我们曾天真地认为蚂蚁可能在玩叠叠乐,它们在敲击,可能它们在摆动谷物,甚至可能它们正在抓住阻力最小的谷物,”安德拉德说。他说,现在很明显蚂蚁似乎对力量一无所知,也没有做出决策的迹象,而是遵循一种随着时间的推移而演变的非常简单的行为算法。


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在蚂蚁挖隧道之前,土壤中的颗粒对颗粒的力是随机排列的(左),但是当蚂蚁挖(右)时,这些力会排列并环绕隧道


蚂蚁倾向于挖掘相对笔直的隧道,这些隧道以静止角下降 - 颗粒材料自然形成土墩的斜坡 - 在这种情况下约为 40 度。他们还挑选正确的谷物去除以在上方创建保护拱形。


“以一种非凡的方式——你知道的,一种偶然的方式——他们偶然发现了一种符合物理定律的挖掘技术,但效率极高,”安德拉德说。


该团队认为,如果行为算法可以进一步分析并最终被复制,那么它可能会在自动采矿机器人中找到应用,无论是在地球上还是在其他行星体上,在这些已经存在风险的采矿业务对人类来说更加危险的地方。


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