学习蚂蚁不堵车

蚂蚁也会遇到和我们类似的交通问题,虽然它们没有修筑道路,但它们如何在拥挤的巢穴和食物之间保持高效率,依然可以给予人类极大的启发,比如不要乱超车,或是可以将交通作为一个整体来处理。

蚂蚁是地球上数量最多的动物,它们的大脑是昆虫纲生物中最大的,大约由25万个细胞构成。研究人员认为,蚂蚁比人类更善于管理拥挤的状况,每个个体在巢穴附近都能高效地移动。人类也许能够从蚂蚁那里获得交通的启发。

高度组织的切叶蚁

切叶蚁的日常生产活动是工蚁外出寻找合适的树叶,简单切割后运回巢穴,在巢穴中再由其他的工蚁嚼碎制成培养真菌,这些真菌将被作为营养丰富的食物喂给幼虫。当觅食的蚂蚁归来时,它们的大颚中会夹着树叶,这使得它们的速度比起其他蚂蚁要慢很多。在返回蚁巢的过程中,它们还会迎面碰上外出觅食的蚂蚁,这使得道路交通状况更加复杂。

然而你永远也看不到这些小生物后退或者盲目地嗅来嗅去,到处乱转,因为它们在处理自己日常事务时是有高度组织性和方向性的。法国保罗一萨巴蒂埃入学的昆虫学家Audrey Dussutour博士说:“它们永远不会发生交通堵塞,我们应该借鉴它们的规则。”Dussutour博士对蚂蚁进行研究已有8年时间,她从未见到过蚂蚁会发生交通堵塞,即使她试着干扰它们,Dussutour博士在较早的研究中还发现切叶蚁在宽阔的通路上相向行进时,携带树叶的和空着手的蚂蚁会自动聚在一起形成一串。

永远不超车

2009年Dussutour博士的研究组得出了进一步的研究成果:在狭窄的道路中,离开蚁巢的蚂蚁会自动为那些带着树叶返回的蚂蚁让路。而返回的蚂蚁中,那些空手而归的蚂蚁尽管可以比那些带着叶片的兄弟们速度快,但它们并不会超过去,而是跟在携带叶片的蚂蚁后面,排起了长队。

当前面是一辆行驶缓慢的货车时,你会愿意减速吗?“切叶蚁的路况实际上很像公路交通,”Dussutour博士说,“在高速公路上我们都曾经被卡在大货车后面,但很多时候,超车并不是最好的选择。”

这看起来是种违反直觉的选择,但却是有效的。当切叶蚁在一条很窄的路上相向而行并相遇时,必须有一方的蚂蚁绕到道路的侧面,等待对面的蚂蚁经过,才回到路面上来。如果切叶蚁像人类那样各自行进,将大大增加相遇的次数,这将导致昆虫的大堵车。据Dussutour等人计算,空手的蚂蚁个体在横穿一个3米长的拥挤路桥时,如果它等在慢速的行进队伍中而不试图超车,将花费32秒通过这段路桥;而如果它超过速度慢的同伴,所花费的时间将达到64秒,也就是说,个体的耐心使团体的效率提高了一倍。

德国蚂蚁如何运用路网

德国德累斯顿技术大学的Dirk Helbing博士是一位顶尖的物理学家、集体智慧专家,他的研究小组曾经着手于蚂蚁们是如何分配道路资源的问题。

他们设计了一条“蚂蚁高速公路”,这条公路用两条不同宽度的路线将蚁巢与食物连接起来。觅食的蚂蚁从食物那里返回蚁巢后,便有更多的蚂蚁前往食物那里。较窄的路线很快便开始变得拥挤。这时,如果一只蚂蚁沿着拥挤的路线返回巢穴,在道路的分岔口处迎面碰上另一只刚刚出发的蚂蚁,前者便会将新来者推到另外的路线上去。不过,如果蚂蚁返回时的旅程足够通畅,它就不会再迫使后来者重新定向。这一过程的结果是,在最短的路线形成堵塞之前,蚂蚁们便被分散到其他的路线上,这样便最大限度地利用了道路网的运行潜力。

长期以来,人们着迷于蚁巢中蚂蚁的组织能力,因为一个蚁巢的复杂程度可与任何大城市的实际建筑图纸媲美,蚂蚁们向我们展示了如何优化个体行为以服务于集体利益,并最终使个体受益。在交通进行中,它们似乎是凭借本能切换路线,使个体的流动遵循最有效率的方式。已有科学家根据蚂蚁运动归纳出的算法,将其应用于指导数据传输,或者是开发基于蚂蚁交通算法的自动驾驶车辆运行系统。

去掉人类的利己主义因素

“人类交通的一个决定性因素是利己主义,”科隆大学交通流量理论学家Andreas Schadschneider教授说,“驾驶员制定自己的出行计划时,并不会考虑别人的需求,这导致了一些不应出现的交通拥堵。而蚂蚁不是这样。”优化理论是理解人类与蚂蚁的导航选择方式之间差异的另一个出发点,他说。在人类的交通中,“本质上是出于用户最优,而在蚂蚁的交通中则是系统最优,这两者的结果完全不同的”,并由此产生了不同的行为模式。

如果要向蚂蚁学习,“我们首先必须把车辆的控制权交给一个集体的智能系统,系统将控制所有车辆从出发地向目的地移动”,澳大利亚邦德大学的软件数学家Marcus Randall说。人们可能会不大情愿,但行驶过程中几乎不会发生意外,旅途本身将变得舒适高效。这样一个思路等于是完全取消了人对道路的控制权,将一切需求交托给一个智能路网去满足,比如你只要告诉路网你想去哪儿,就有一个交通工具过来把你送到目的地。

蚂蚁们的“云计算”

蚂蚁做决定依靠的是它们服务于蚁巢的天性和地面交通的实际情况。蚂蚁们通过分泌的费洛蒙和彼此之间的身体接触传递信息,海量的信息像云一样笼罩着蚂蚁们,实时为它们传达包括交通状况在内的各种信息。

科学家们几十年的研究也未能揭开蚂蚁的信息交换之谜。但参与Dussutour博士研究的共同作者,伊利诺斯大学的昆虫学家Sam Beshers表示,“我们的证据有力地证明了进出工蚁间的碰面是很重要的,它们管理的不仅仅是交通流,也包括信息流,尽管我们目前只知道这一点,但这具有很重要的潜在价值。