康斯坦茨大学 陆军军官艾西顿·伯奇利
荣誉:詹姆斯·赫恩登 一个由生物学家伊恩·库津(Iain Couzin)教授和马修·卢茨(Matthew Lutz)领导的国际科学家团队揭示了蚂蚁的一种新的集体行为，伊恩·库津教授是康斯坦茨大学“集体行为高级研究中心”的联合主任，也是马克斯·普朗克动物行为研究所的联合主任，马修·卢茨是库津实验室的博士后研究员
他们的研究展示了蚂蚁如何使用被称为“脚手架”的自组织建筑结构来确保斜面上的交通流量
支架的形成是个体感知和决策的结果，但它允许群体作为一个整体动态地适应不可预测的环境挑战
谁不知道这种情况？你因道路施工而陷入交通堵塞，或者你想坐火车而不是汽车，但它没有出现
许多复杂的人工系统，无论是交通基础设施还是其他技术系统，都存在一个共同的问题，那就是面对干扰时缺乏鲁棒性
这些系统通常是刚性和不灵活的，集中或分级的控制结构使它们容易受到单点扰动的影响
另一方面，生物系统通常采用分布式控制的形式，并且对环境挑战具有惊人的鲁棒性
为了更好地了解自然系统稳定性和恢复力的控制机制，康斯坦茨的生物学家伊恩·库津和他的实验室，以及来自澳大利亚和美国的国际同事，研究了蚂蚁在觅食过程中如何协调交通
他们发表在PNAS的研究描述了艾西顿伯奇尔蚂蚁如何在倾斜的表面上组织成被称为“脚手架”的活建筑结构，以避免交通中断和节约资源
研究人员提出了一种支架形成机制，其中每只蚂蚁根据自己的经验调整自己的行为，而不需要群体层面的交流
这种来自动物世界的简单而有效的比例系统控制机制可能会激发人工系统的设计灵感，从自动车辆到未来能应对不断变化的条件的弹性基础设施
贪婪的掠食者和天才建筑师 为了他们的研究，科学家们前往巴拿马，在那里，被调查的物种——陆军蚂蚁艾西顿·巴奇利——生活在巴罗科罗拉多岛的热带森林中
伊奇顿军蚁是群居昆虫，生活在有成千上万工人的大群体中
白天，它们在大规模的群体袭击中搜寻猎物，一天之内可以横扫四个网球场
在许多进化适应中，这些蚂蚁被列为热带森林中顶级的无脊椎食肉动物，其中之一就是它们非凡的自我组织成活体建筑的能力
为了群体的利益，个体蚂蚁联合起来临时改变环境，确保群体狩猎期间的交通流量
PNAS的研究首次详细描述了这些蚂蚁建造的一种建筑——作者称之为“脚手架”
在自然条件下，当E
burchellii步道穿过倾斜的表面，如树枝或岩石，个别蚂蚁停下来并附着在表面，保持固定不动
作者发现，通过这样做，蚂蚁为其他蚂蚁提供了额外的抓地力，这些蚂蚁继续沿着它们的路径前进，越过不动的特定群体
支架表现出高度的适应性，根据环境的不同，可以生长成不同的形状和大小——从几只分散的蚂蚁像爬墙一样排列，到密集的蚂蚁聚在一起形成突出的架子
“脚手架在受到干扰时会迅速形成，防止蚂蚁沿着觅食路线滑倒
库津描述道:“当你通过密集的交通运输像猎物这样有价值的资源时，这一点尤其重要，你的足迹会穿过一个不可预测的雨林环境，那里有各种各样的斜坡和障碍物。”
没有沟通的集团级协调 为了实验性地研究集体脚手架的行为，作者设计了一种装置，允许在野外野生蚁群的突袭路径中引入确定的斜坡
通过在不同角度的斜坡上重复实验，研究人员发现，当蚂蚁穿过倾斜超过40度的表面时，它们能够可靠地组织成脚手架
斜坡越陡，越多的蚂蚁开始从平台上滑下来或掉下来，作为回应，脚手架越长越大
一旦脚手架形成——在蚂蚁开始穿越后几分钟——由于有了支撑结构，下滑和坠落的蚂蚁数量又回到了较低水平
根据他们的实地观察和理论模型的支持，科学家们提出了一个令人惊讶的简单的脚手架形成机制:当一只动物在斜面上滑动，然后重新站稳时，它有一定的概率倾向于抓住地面并保持不动
这样做，它要么开始，要么加入脚手架
随着脚手架的增长，动物表现出的行为越多，倾斜的表面就越不光滑
该结构最终停止生长，因为尾随的蚂蚁可以利用现有的脚手架不受阻碍地穿越
“在某种程度上，这种机制如此简单，甚至让我们感到惊讶
如果你第一次观察这些集体现象，你会直觉地认为蚂蚁之间一定有某种交流
然而，在这种特殊情况下，没有必要这样做
库津解释说:“每个人在穿越时都会根据自己的经历调整自己的行为。”
从大自然中获取灵感 随着人类技术和社会系统的复杂性不断增加，找到并实施能够稳健、快速地纠正错误、提高稳定性的机制至关重要
埃克顿蚂蚁军团中的脚手架就是一个这样的例子
由于其简单性——只需要关于单个元素状态的信息，而不需要复杂的组级通信——这可以作为具有类似分布式控制形式的健壮而灵活的工程系统的蓝图
卢茨是一名建筑师，他对生物学中自组织模式的着迷导致了他的博士学位
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和在库津实验室进行的关于集体行为和自我组装的博士后研究得出结论:“因为这种机制在感知和交流方面非常简单，所以它可能适用于多种规模、跨学科的应用
从群体机器人(对传感和通信的限制可能是限制因素)到自愈材料的设计、生物制造技术和新型响应基础设施，不一而足
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