适度偷懒提高整体效率：火蚁工作方式启发机器人群组协作

人类能像蚂蚁学习的东西还有很多，比如它们是如何用最优化的方式合作完成复杂任务的。科学家通过观察蚁群行为惊讶地发现，蚁群并不是靠每只蚂蚁都兢兢业业劳动来完成任务，相反，有时候“偷懒”会更让它们更高效。蚁群的这种工作方式为机器人群组和道路交通控制提供了新的思路。

佐治亚理工学院的物理学家 Daniel Goldman 带领一支研究团队对火蚁 (Solenopsis spp) 进行了观察，他们发现，在完成复杂巢穴隧道挖掘这样的任务时，永远只有 30% 的火蚁会参与到劳动中，而非所有的火蚁同时一起挖。

而研究证明，火蚁这种挖掘分工方式能够最有效的避免“交通拥堵”，并保证投入的劳动力最少。Goldman 团队的研究成果最近发表在《科学》（Science）杂志上。

图 | Science 刊登 Goldman 团队的研究成果（来源：Science 官网截图）

他说：“这种工作机制看起来有点不公平，但是如果不是这种机制，可能火蚁根本无法完成任务。我们从中发现了这种工作机制的优点。”

尽管火蚁巢穴的隧道很狭窄，每次仅能允许两只火蚁并排通过，但它们能通过向后退和停在原地等“偷懒手段”来避免拥堵。

该研究团队在移动机器人上测试了火蚁的这种工作策略，这些机器人将来或能用于营救、采矿和地下避难所挖掘等任务。

Goldman 说：“当机器人在火星上开展任务，有沙尘暴来袭，机器人需要快速在火星的地上挖掘避险用的隧道时，火蚁的这项策略就会很有帮助，因为各个机器人可能无法完全得知其他机器人队友的运作情况。”

科学家们发现在对模拟粘土进行挖掘的任务中，机器人一旦超过 3 个，就无法在狭窄的通道内进行高效的工作。实验中的“粘土”是用 3D 打印的磁性塑料小球进行模拟的。

Goldman 说：“如果将多个机器人放到一个受限制的环境中进行挖掘工作，它们不一会儿就会拥堵在一起。”

但如果我们将蚂蚁的工作策略应用到这些机器人身上，它们就能用更少的能量，还能挖得更快。

图 | 火蚁（来源：Pixabay）

该团队将不同的行为模式应用到机器人身上，这些模式分别被称为“努力”、“倒退”和“懒惰”，当 4 个机器人都“努力”挖掘时，最终它们会挤到一块，互相挡路。“倒退”模式可以避免拥堵，但是“懒惰”模式最省电。

为了更好的理解这种工作策略的机制和限制，团队成员使用了交通工程师们常用的计算机模型。

Goldman 说：“在公路上，车辆数量太少公路的利用率就会太低，但车太多又会产生拥堵。”

所以在多和少之间有一个最优值。研究人员发现蚂蚁的工作策略就是这种模型中的最优值，既能避免拥堵，又让工作最高效。

Goldman 表示他们的研究不仅显示了蚂蚁复杂的社交技巧，还能让人一窥那些“以任务为导向的大量生物群体”的运作机制以及“群行现象”。

 

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编辑：火爆麻雀 校审：戴青

参考：https://cosmosmagazine.com/physics/when-it-comes-to-collective-effort-laziness-plays-off

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