以下文章经许可转载自 The Conversation，这是一个报道最新研究的在线出版物。
将一团 10 万只火蚁扔进池塘中 – 或者 淹没德克萨斯州的巨大区域 ，那里 infested 着火蚁，并将它们从巢穴中成群地赶出来。几分钟之内，这团蚂蚁就会变平并扩散成圆形薄饼，可以漂浮数周而不会淹死蚂蚁。
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将相同的蚂蚁团块放在固体地面上的植物附近。
它们会互相攀爬，在植物茎周围形成一个固体块，形状像埃菲尔铁塔 – 有时高达 30 只蚂蚁高。蚂蚁塔充当临时的营地，可以抵御雨滴。
火蚁形成一个保护岛，随着它们漂出 #休斯顿 洪水 pic.twitter.com/UBORwAzA4R
— 奥马尔·维拉弗兰卡 (@OmarVillafranca) 2017 年 8 月 27 日
火蚁制造了令人难以置信的漂浮筏，以逃离南卡罗来纳州的毁灭性洪水。 https://#/QibOTFBCU3 pic.twitter.com/EFIK4N6fJv
— 纽约每日新闻 (@NYDailyNews) 2015 年 10 月 7 日
蚂蚁如何以及为何制造这些对称但非常不同的形状？它们 依赖触觉和嗅觉 – 而不是视觉 – 来感知世界，因此它们只能感知到非常靠近它们的东西。与流行的看法相反，蚁后不会向蚁群发出命令；她 一生都在产卵。每只蚂蚁都根据从其周围环境中收集的信息来控制自己。
作为系统工程师和生物学家，我对蚁群在各种任务中的效率感到着迷，例如觅食、漂浮在水面上、与其他蚂蚁战斗以及建造塔楼和地下巢穴 – 所有这些都是由成千上万只几乎失明的生物完成的，它们的大脑拥有的神经元数量还不到 人类的万分之一。
在早期的研究中，我的同事 大卫·胡 和我研究了这些微小的生物如何编织它们的身体 制成防水救生筏 ，在洪水中漂浮数周。（在 2005 年卡特里娜飓风淹没新奥尔良后，这种情况并没有发生，因为风暴潮和堤坝坍塌发生得太快，蚂蚁无法逃离巢穴，而被淹死了。哈维飓风的洪水是由于长时间的降雨造成的。）
现在我们想了解相同的蚂蚁如何协调组装成完全不同的 陆地结构 – 塔楼 ，由多达数十万只活火蚁组成。
火蚁有多大的支撑力？
佐治亚州这里一半的蚂蚁是火蚁， 入侵红火蚁。为了收集我们的实验室对象，我们慢慢地将水倒入地下巢穴中，迫使蚂蚁浮出水面。然后我们捕捉它们，将它们带到实验室，并将它们放在箱子里。在经历了一些痛苦的叮咬后，我们学会了在箱子里铺上婴儿爽身粉以防止它们逃脱。
为了触发它们的塔楼建造，我们将一团蚂蚁放在培养皿中，并用中心的小垂直杆模拟植物茎。我们首先注意到它们的塔楼总是顶部窄，底部宽，像喇叭的喇叭口。一堆死蚂蚁是圆锥形的。为什么是钟形？
我们的第一个猜测是，底部需要更多的蚂蚁来支撑更多的重量，事实证明是准确的。准确地说，我们假设每只蚂蚁都愿意支撑一定数量的其他蚂蚁的重量，但不能更多。
从这个假设中，我们推导出一个数学公式，该公式预测了塔的宽度是高度的函数。在测量了由不同数量的蚂蚁制成的塔后，我们证实了我们的模型：蚂蚁愿意支撑三只同类的重量 – 但不能更多。因此，一层中需要的蚂蚁数量必须与上一层中的数量相同（以支撑上一层所有蚂蚁的重量），再加上上一层数量的三分之一（以支撑上一层）。
后来，我们了解到建筑师古斯塔夫·埃菲尔 在他的著名塔楼中使用了相同的均等承重原理。
绕杆环绕
接下来，我们询问火蚁是如何建造塔楼的。当然，它们没有进行数学计算来告诉它们需要多少蚂蚁去哪里才能创建这种独特的形状。而且为什么它们需要 10 到 20 分钟而不是建造木筏仅需一两分钟的时间？我们花了七个试验假设和两年令人沮丧的时间才回答这个问题。
虽然我们认为塔楼是由水平层组成的，但蚂蚁并不是通过完成底层并一次添加一个完整层来建造塔楼的。它们无法提前“知道”底层必须有多宽。它们没有任何方法来计算有多少蚂蚁，更不用说测量层的宽度或计算必要的宽度了。
相反，在表面上匆匆忙忙的蚂蚁会被附着，从而加厚所有层的塔楼。顶层始终在刚刚之前的顶层之上形成。由于它是最窄的，因此它由杆周围的蚂蚁环组成，每只蚂蚁都抓住其水平相邻的两只蚂蚁。
我们的关键观察是，如果一个环没有完全包围杆，它就不能支撑试图在它们之上建造另一个环的其他蚂蚁。在测量了蚂蚁的抓地力和粘附强度后，我们分析了环的物理特性，并确定一个完整的环比不完整的环稳定 20 到 100 倍。看起来环的形成可能是塔楼生长的瓶颈。
这个假设给了我们一个可检验的预测。直径较大的杆有更多的环位置需要填充，因此它的塔楼应该生长得更慢。为了获得定量预测，我们对蚂蚁的运动进行了数学建模，认为它们在随机方向上移动了大约一厘米的距离 – 这与我们用于蚂蚁木筏形成的模型相同。
然后，我们拍摄了蚂蚁移动到环上位置的特写镜头。基于 100 多个数据点，我们强烈证实了我们的环填充模型。当我们用一系列杆直径进行塔楼建造实验时，果然，塔楼在直径较大的杆周围生长得更慢，速度与我们的预测相当吻合。
慢动作下沉
还有一个很大的惊喜即将到来。我们认为一旦塔楼建成，一切就都结束了。但在我们的一次实验试验中，我们不小心让摄像机在塔楼建成后额外运行了一个小时。
当时的博士生 内森·姆洛特 是一位非常优秀的科学家，不会仅仅丢弃观察数据。但他不想浪费一个小时观看什么也没发生。因此，他以 10 倍正常速度观看了视频 – 他所看到的令人惊叹。
在 10 倍速度下，表面蚂蚁移动得非常快，以至于它们变成了模糊不清的图像，塔楼下方清晰可见，塔楼正在缓慢下沉。它发生得太慢了，以至于在正常速度下无法辨别。
我们从下方通过透明培养皿观察了底部的塔层。那里的蚂蚁形成隧道并逐渐离开塔楼。然后它们在塔楼表面匆匆忙忙地移动，直到最终加入一个新的顶环。
我们看不到塔楼深处的蚂蚁。是整个塔楼还是仅仅是它的表面在下沉？我们怀疑是前者，因为成团和成筏的蚂蚁会像一个整体一样紧紧抓住。
我们招募了 达里亚·莫纳恩科娃，她刚刚 发明了一种新型 3D X 射线技术。我们用放射性碘掺杂了一些蚂蚁并追踪了它们。塔楼中每一只被追踪的蚂蚁都在下沉。
这项研究最引人注目的意义或许是，蚂蚁不必“知道”它们是否都在以相同的方式行动。显然，它们遵循相同的简单运动规则：如果蚂蚁在你上方移动，则保持不动。如果没有，则随机移动，并且仅当您到达至少与一只静止蚂蚁相邻的未占用空间时才停止。
一旦塔楼建成，蚂蚁就会在其中循环，同时保持其形状。我们感到惊讶；我们认为蚂蚁一旦塔楼达到最大高度就会停止建造。以前，当我们研究蚂蚁筏时，我们以相反的方式感到惊讶。我们认为蚂蚁会在木筏中循环，以便轮流在底部水下。相反，底部的蚂蚁可以在原位停留数周。
我研究的每一个生物都比最初看起来要复杂得多。了解简单的规则如何导致精巧而多样的结构，这增加了我们对进化力量的尊重，并为我们提供了如何设计多功能自组装机器人团队的想法。
本文最初发表于 The Conversation。阅读 原始文章。