会看路标、自带导航！小蚂蚁倒着也能走回家
科技日報(bào)記者張景陽
昆蟲一直是現(xiàn)代科學(xué)研究的主要對(duì)象之一，隨著科技的進(jìn)步，人類研究昆蟲，也早已從基礎(chǔ)研究走向了技術(shù)應(yīng)用，例如毫不起眼的螞蟻。
近日有媒體報(bào)道稱，研究人員通過對(duì)“螞蟻搬家”行為的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)：螞蟻使用多種方法來尋找自己的路，即使在后退時(shí)，它們也能識(shí)別熟悉的風(fēng)景，對(duì)于這樣的小昆蟲來說，這是一種高度復(fù)雜的視覺。
是什么賦予了螞蟻如此強(qiáng)大的路徑識(shí)別能力？螞蟻的生物功能對(duì)于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)有哪些啟發(fā)和應(yīng)用幫助呢？
螞蟻認(rèn)路不光靠眼睛看
“如果只觀察而不干擾，螞蟻外出覓食和返回巢穴的全過程基本很順利，即使途中有停頓，但幾乎不會(huì)走彎路；但是如果對(duì)螞蟻?zhàn)哌^的地方進(jìn)行阻斷和干擾，螞蟻在走到被干擾地點(diǎn)時(shí)就會(huì)原地打轉(zhuǎn)，或者先后向不同的幾個(gè)方向試探前進(jìn)，最終又回到原地。”內(nèi)蒙古生物技術(shù)研究院生物材料創(chuàng)新工作室高級(jí)工程師張志剛在接受科技日報(bào)記者采訪時(shí)表示，早年間，他在研究螞蟻體內(nèi)營養(yǎng)成分的時(shí)候，閑暇時(shí)也曾對(duì)螞蟻?zhàn)R別路徑的能力做過一些實(shí)驗(yàn)。“我們發(fā)現(xiàn)，即使是拖著沉重的食物倒行，只要螞蟻?zhàn)哌^的路徑不被干擾，它們?nèi)匀荒軌蝽樌⒖焖俜祷爻惭ā?/strong>”
螞蟻這種識(shí)途本領(lǐng)是否完全依靠視覺呢？有研究表明，螞蟻的眼睛是由成百上千的單眼結(jié)構(gòu)構(gòu)成的復(fù)眼，但如此多的眼睛并沒有幫助螞蟻更好地洞悉周圍發(fā)生的一切，因?yàn)樗囊暳χ挥腥祟惼骄暳Φ氖种弧?/p>
一個(gè)研究小組通過對(duì)西班牙沙漠螞蟻的研究發(fā)現(xiàn)，螞蟻使用多種方法來找到自己的路，即使它們向后走，也可以識(shí)別出熟悉的路線。
西班牙沙漠螞蟻在向前走時(shí)，使用了一種稱為“路徑整合”的策略：它們記得自己走過的曲折感覺以及從巢穴走了幾步，用于計(jì)算最快的回家路線。
它們還依靠太陽的角度來獲取方位，環(huán)顧四周的景色，并記住某些可以幫助他們返回的地標(biāo)。但是，螞蟻在向后走時(shí)，是否也能采用向前走時(shí)的策略呢？
有英國科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上螞蟻是使用每個(gè)步幅，并測量每個(gè)步幅大小，來完成倒退行走的。他們認(rèn)為，螞蟻通過測量步幅大小來實(shí)現(xiàn)倒退導(dǎo)航的，因?yàn)樗鼈兡軌蚓_測量自己行走的距離，甚至每個(gè)腿分別移動(dòng)的距離。
然而同時(shí)，有一個(gè)事實(shí)令他們感到困惑：當(dāng)所有定位巢穴的視覺和氣味線索都是錯(cuò)誤的方向時(shí)，為什么螞蟻仍能沿著正確的方向倒退行走？
對(duì)此，近期一項(xiàng)同樣來自于歐洲的研究結(jié)論似乎可以予以補(bǔ)充：螞蟻的眼睛有很寬的視角——有近 360 度的視野，而人類在不轉(zhuǎn)頭的情況下，只能看到它們周圍1/3 的環(huán)境。當(dāng)螞蟻離開巢穴時(shí)，它們很可能會(huì)從身旁和身后獲取信息，然后在拖拽食物時(shí)利用這些信息“導(dǎo)航”。
愛丁堡大學(xué)信息技術(shù)教授芭芭拉·韋柏在研究了螞蟻的導(dǎo)航功能后表示：“螞蟻不僅依靠觀察沿途景觀來認(rèn)路，而且腦內(nèi)還有精準(zhǔn)的導(dǎo)航。它們甚至懂得在天空做標(biāo)記，讓自己每次都能順利找到回家的路線。”
張志剛介紹說：“現(xiàn)在全球大量的研究證明，螞蟻?zhàn)R途，依靠的是一整套極其復(fù)雜的系統(tǒng)，而這個(gè)系統(tǒng)，不僅僅包括視覺，還包括視覺記憶、氣味、甚至天文學(xué)原理。”
時(shí)至今日，螞蟻的識(shí)途本領(lǐng)仍在不斷刷新著科學(xué)家們的認(rèn)知。
受螞蟻啟發(fā)的新型導(dǎo)航
上世紀(jì) 90 年代初，一個(gè)名為“蟻群算法”（又稱“螞蟻算法”）的概念的提出，正式開啟了螞蟻導(dǎo)航功能的應(yīng)用研究。“蟻群算法”的提出者、布魯塞爾自由大學(xué)的計(jì)算機(jī)科學(xué)家馬爾科·多里戈認(rèn)為，人類完全可以利用螞蟻行為中的知識(shí)創(chuàng)造可用來解決復(fù)雜人類問題的數(shù)學(xué)方法，比如安排卡車運(yùn)輸路線、調(diào)度航班或制導(dǎo)軍事機(jī)器人。
隨著理論的不斷完善，蟻群算法逐步從螞蟻的活動(dòng)范圍、生活環(huán)境、覓食規(guī)則、移動(dòng)規(guī)則、避障規(guī)則、信息素規(guī)則等方面入手，研究出一系列適用于人類活動(dòng)的優(yōu)化計(jì)算方法。
基于這樣的計(jì)算原理，發(fā)達(dá)國家的技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)見到實(shí)效。2019 年年初，法國科學(xué)家開發(fā)出一種能像螞蟻一樣導(dǎo)航的六足機(jī)器人，命名為“antbot”。這種六足機(jī)器人的導(dǎo)航系統(tǒng)借鑒了沙漠螞蟻的導(dǎo)航原理，即覓食的螞蟻能通過留在地上的信息素找到返回棲息地的路。
依靠現(xiàn)代科技，這種機(jī)器人還配備了一個(gè)用于根據(jù)天空中的偏振光檢查其航向的光學(xué)羅盤，以及一個(gè)用于直觀地確定它從起點(diǎn)到終點(diǎn)需要走多遠(yuǎn)的光學(xué)運(yùn)動(dòng)傳感器。據(jù)報(bào)道，這樣的設(shè)置允許機(jī)器人探索周圍 14 米（46 英尺）的總距離，并以精確度高達(dá) 1 厘米（0.4 英寸）的速度回到基地。
張志剛告訴記者：“事實(shí)上，我國的科學(xué)家也已經(jīng)開始了蟻群算法的應(yīng)用研究，研究方向主要是導(dǎo)航計(jì)算方法和導(dǎo)航產(chǎn)品研發(fā)；蟻群算法是一種用來在圖中尋找優(yōu)化路徑的機(jī)率型算法，具有明確的反饋機(jī)制、并行分布式計(jì)算及良好的自啟發(fā)機(jī)制等優(yōu)點(diǎn)，在求解龐雜的組合優(yōu)化問題方面具有明顯的優(yōu)越性。”
張志剛表示，在不久的將來，我們完全可以制造出一種導(dǎo)航系統(tǒng)模型，而這種導(dǎo)航系統(tǒng)，可以將路上行駛的每臺(tái)車輛視為一只螞蟻，每輛在行駛過程中的車輛，通過導(dǎo)航終端將所經(jīng)過的路徑長度、通行時(shí)延等評(píng)判信息實(shí)時(shí)上傳至導(dǎo)航中心服務(wù)器端。“當(dāng)后續(xù)車輛進(jìn)行尋路導(dǎo)航時(shí)，導(dǎo)航系統(tǒng)可根據(jù)其他車輛的實(shí)時(shí)反饋評(píng)判信息，對(duì)該車輛可能行駛的路線進(jìn)行評(píng)判，從而可以求解出最優(yōu)的路線作為車輛的行駛方向和路線。”
相關(guān)鏈接：小螞蟻的大本領(lǐng)
全世界共有 15000 多種螞蟻，幾乎遍布全球每個(gè)角落。大量的科學(xué)研究和實(shí)驗(yàn)表明，螞蟻雖小，卻是一個(gè)十分神奇的物種，它們眾多能力超乎人們想象。
螞蟻可以把大于自身體重?cái)?shù)十倍的食物（例如餅干塊、昆蟲、肉粒等）拖進(jìn)巢穴，按照體重與被拖動(dòng)物體的質(zhì)量換算，螞蟻的力氣至少是大象的 60 倍。
在南美洲，螞蟻還是外科手術(shù)的絕佳助手。在圭亞那的印第安人部落里，當(dāng)?shù)氐拇蠓蜃鐾饪剖中g(shù)時(shí)，常用一種叫割葉蟻的螞蟻來完成傷口縫合：大夫先將病人的傷口對(duì)合，讓割葉蟻咬住縫合口，再剪下蟻身，留下的蟻頭就成了最好的羊腸線。這種縫合方式把傷口縫合得緊密無縫，傷口愈合后還不必拆線，極大減輕了病人的痛苦。
美國著名的生物學(xué)家劉易斯·托馬斯曾經(jīng)這樣描述螞蟻：“螞蟻太像人了，它們培植真菌，喂養(yǎng)蚜蟲作家畜，把軍隊(duì)投入戰(zhàn)爭，用化學(xué)噴劑驚擾和迷惑敵人并捕捉奴隸……它們不停地交換信息，幾乎什么都干，就差看電視了。”
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的会看路标、自带导航！小蚂蚁倒着也能走回家的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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