據外媒報導，螞蟻是驚人的挖掘者，它們建造了精心設計的巢穴，其中有多層由錯綜複雜的”隧道”網络連接，有時深度達到25英尺。 現在，來自加州理工學院的一個科學家小組利用X射線成像技術，捕捉到了螞蟻如何建造”隧道”的過程。 科學家們發現，螞蟻已經進化到能夠直觀地感覺到它們可以移除哪些穀物顆粒，同時保持結構的穩定性，這很像在玩”層層疊”（Jenga）積木遊戲時移除單個積木。 該團隊在發表於《美國國家科學院院刊》的一篇新論文中描述了他們的工作。

對群體行為感興趣的科學家們幾十年來一直在研究螞蟻。 這是因為，作為一個群體，螞蟻的行為就像一種顆粒介質。 幾隻相隔很遠的螞蟻的行為就像單個螞蟻。 但是把足夠多的螞蟻緊緊地擠在一起，它們的行為就更像一個單元，同時表現出固體和液體的特性。 螞蟻可能是擁有微小大腦的小動物，但是這些社會性昆蟲能夠集體地將自己組織成一個高效的社區，以確保蟻群的生存。

幾年前，法國圖盧茲高等研究所的行為生物學家Guy Theraulaz和幾位同事將螞蟻的實驗室實驗和計算機建模相結合，確定了支配螞蟻隧道行為的三個簡單規則。 簡而言之。 （1） 螞蟻以恆定的速度拾取穀物（大約每分鐘兩粒）;(2） 螞蟻優先在其他穀物附近丟棄它們的穀物，以形成支柱;以及（3） 螞蟻通常在被其他螞蟻處理后選擇帶有化學資訊素的穀物。 Theraulaz等人根據這三條規則建立了一個計算機類比，並發現一周后，他們的虛擬螞蟻建立了一個與真實螞蟻窩非常相似的結構。 他們得出的結論是，這些規則產生於個體螞蟻之間的局部互動，不需要中央協調。

最近，2020年的一篇論文發現，螞蟻群中如何出現分工的社會動態類似於人類社會網路中的政治兩極化發展。 螞蟻也擅長調節自己的交通流。 喬治亞理工學院的 Daniel Goldman領導的研究小組在2018年的一項研究調查了火蟻如何在不造成「交通堵塞」的情況下優化其挖隧道的努力。 該小組得出結論，當一隻螞蟻遇到其他螞蟻已經在工作的隧道時，它就會撤退去尋找另一條隧道。 而且在任何時候，只有一小部分的蟻群在挖掘。 30%的螞蟻做了70%的工作。

喬治亞理工學院David Hu的生物運動小組也對火蟻進行了研究。 2019年，他和他的同事報告說，火蟻能夠主動感知作用在其浮筏上的力量變化。 螞蟻能識別流體流動的不同條件，並能相應地調整它們的行為，以保持筏子的穩定性。 在河水中移動的槳會產生一系列旋轉的渦流（被稱為渦流脫落），導致螞蟻筏子旋轉。 這些漩渦還可以對蟻筏施加額外的力量，足以使其破裂。 作用在蟻筏上的離心力和剪切力的變化都相當小–可能是正常重力的2%到3%。 然而，不知何故，螞蟻可以用它們的身體感知這些微小的變化。

這篇最新的論文集中於西方收穫蟻（Pogonomyrmex occidentalis），因為它們對毫米級的土壤顆粒具有多產的挖掘能力而被選中。 研究合著者José Andrade是加州理工學院的一名機械工程師，在看到蟻穴藝術的例子后，他受到了探索隧道螞蟻的啟發。 這些作品是通過將某種熔化的金屬、石膏或水泥倒入蟻丘，流經所有的隧道並最終變硬。 然後，周圍的土壤被移除，露出最後的複雜結構。 安德拉德印象非常深刻，他開始懷疑螞蟻是否真的”知道”如何挖掘這些結構。

Andrade與加州理工學院生物工程師 Joe Parker 合作開展了這個專案;Parker的研究重點是螞蟻與其他物種的生態關係。 “我們無法採訪任何螞蟻，問它們是否知道自己在做什麼，但我們確實從假設開始，它們以一種故意的方式挖掘，”Andrade說。 “我們假設，也許螞蟻在玩Jenga遊戲。”

換句話說，研究人員懷疑螞蟻在土壤中尋找鬆散的穀物來移除，就像人們從Jenga積木塔中尋找鬆散的積木來移除一樣，將關鍵的承重部分留在原地。 這些積木是所謂的”力鏈”的一部分，用於將積木（或粒狀土壤顆粒，在蟻穴的情況下）卡在一起，創造一個穩定的結構。

在他們的實驗中，Andrade和他的同事將500毫升Quikrete土壤與20毫升的水混合，並將混合物放在幾個小杯的土壤中。 這些杯子的大小是根據它們可以被放置在CT掃描器內的方便程度來選擇的。 通過試驗和錯誤–從一隻螞蟻開始，逐漸增加數量–研究人員確定了達到最佳挖掘率所需的螞蟻數量。

研究小組在螞蟻開鑿隧道時，每10分鐘進行一次4分鐘的半解析度掃描，以監測它們的進展。 從所得到的3D圖像中，他們為樣品中的每一個顆粒創建了一個”數位頭像”，捕捉每一個顆粒的形狀、位置和方向–所有這些都能顯著影響土壤樣品中的力的分佈。 研究人員還能夠通過比較在不同時間段拍攝的圖像，弄清每顆顆粒被螞蟻清除的順序。

在勤奮地挖掘隧道時，螞蟻們並不總是合作。 Andrade說：”它們有點反復無常。 它們想什麼時候挖就什麼時候挖。 我們會把這些螞蟻放在一個容器裡，有些螞蟻會立即開始挖掘，它們會取得驚人的進展。 但是其他的–這將是幾個小時，它們根本就不挖。 還有一些會挖一會兒，然後停下來休息一下。 ”

Andrade和Parker在他們的分析中注意到一些新出現的模式。 例如，螞蟻通常沿著杯子的內側邊緣挖掘–這是一個有效的策略，因為杯子的側面可以作為隧道結構的一部分，為螞蟻節省了一些精力。 螞蟻們還喜歡用直線來挖隧道，這是一種優化效率的策略。 而且，螞蟻們傾向於盡可能陡峭地挖掘隧道。 在像土壤這樣的顆粒狀介質中，最陡峭的極限被稱為”傾角”;超過這個角度，結構就會坍塌。 不知何故，螞蟻能感覺到這個臨界點，確保它們的隧道永遠不會超過俯仰角。

至於潛在的物理學，研究小組發現，當螞蟻移開土壤顆粒來挖掘它們的隧道時，作用在結構上的力鏈從隨機分佈中重新排列，在隧道外形成一種襯墊。 這種力的重新分配加強了隧道現有的牆壁，並緩解了隧道末端的穀物所施加的壓力，使螞蟻更容易移除這些穀物以進一步延長隧道。

Parker說：”在工程學和螞蟻生態學中，螞蟻如何建造這些持續幾十年的結構一直是個謎。 事實證明，通過以我們觀察到的這種模式移除穀物，螞蟻在向下挖掘時從這些圓周力鏈中受益。 螞蟻敲擊單個穀物以評估施加在它們身上的機械力。 ”

Parker認為這是一種行為演算法。 他說：「這種演算法並不存在於一隻螞蟻之中。 這是所有這些『工人』像一個超級有機體一樣行動的這種新興的群體行為。 這種行為程式如何在所有這些螞蟻的小腦中傳播，是我們無法解釋的自然世界的一個奇跡。 ”