[科普中国]-同样是双向交通，为什么蚂蚁不容易塞车？有自发“交通管制”行为

交通堵塞问题是一种常见的“城市病”，不仅给人们带来了不愉快的体验，还降低了城市运转的效率。不过，一种不起眼的昆虫或许能够启发我们找到解决这个问题的方案，那就是蚂蚁。蚁穴就像是蚂蚁的城市，里面居民数量众多，道路纵横交错。2019年10月有一项研究发现，蚂蚁能够在道路占有率高达80%的时候仍然保持交通平稳顺畅。这个成绩大大超过了人类，先前研究结果显示，对于行人和车辆来说，当道路占有率达到40%时，整体的前进速度就会变慢。当然，蚂蚁的交通和人类有所不同，但它们调整自己的行为以适应环境的方式，以及群体协作的方式，都值得参考。170次重复实验，记录蚂蚁过桥表现蚂蚁和人类一样，是自然界中少数可以进行双向交通行为的物种。对人类来说，很难在保持高效平稳的交通运行速度的同时不发生个体间的相互碰撞，但在这一点上，蚂蚁却表现出了良好的管理模式。它们在往来于巢穴与食物之间的时候能够保持高效的交通，且不会出现“超车”行为，因而能形成平稳的“蚁流”。不过可惜的是，目前学界针对行进中的蚂蚁群密度、速度和交通流量之间关系的研究却并不多。为了弄清楚当蚂蚁搬运食物经过的道路变得拥挤时，它们的交通状况是否还能继续保持平稳，图卢兹大学动物认知研究中心的劳雷-安∙普瓦索尼耶等人设计了一项有趣的动物行为实验。他们选定了一群阿根廷蚁，通过设置不同的蚂蚁数量、以及连接蚂蚁洞穴和食物之间的桥的宽度，来调整过路蚂蚁的密度。实验中一共有35个蚁群，按照蚂蚁数量设置7个等级，分别为400只、800只、1600只、3200只、6400只、12800只和25600只；桥宽则包含3个等级，分别为5毫米、10毫米和20毫米。实验设计了170次重复，在实验中研究者收集了蚂蚁们的交通流量、速度以及发生碰撞的次数的数据。每个蚁群在进行实验之前5天内不予进食，它们需要通过一个人工设置的“桥”才能到达凹槽中装有蔗糖溶液（食物）的有机玻璃一侧，而蚂蚁在一个小时内过桥时的通行情况则被一台摄像机记录下来。灵活调整策略，自发的“交通管制”行为提高了通行效率实验结果发现，即使在桥的占有率达到80%的情况下，蚂蚁仍然能够维持平稳的前进速度，原因是它们能够根据道路的拥挤程度及时调整自己的行为。当路上蚂蚁的密度增加时，它们似乎能够对拥挤的状况进行评估，并通过调整自己的前进速度来避免造成交通中断。在道路拥挤的情况下，蚂蚁们会选择有节制地进入，同时确保群体数量不超过桥宽所允许的最大载流。而蚁群这一自发的“交通管制”行为，能够保证它们将食物高效地运回巢穴。从蚂蚁的集体行为来看，随着密度增加，蚁群的交通流量呈现先增加、后稳定在某一个值附近的趋势。之前有研究认为，蚁群中不会像人类通勤那样出现交通堵塞，可能是因为向不同方向行进的蚂蚁会自动分流成为两个相反的“蚁流”，就像马路被人为隔开的双向车道一样。但本研究数据却显示并没有支持这种理论的证据，反而，实验中却发现，当桥上蚂蚁的密度达到一个临界值时，双向行进的蚁群无论从时间或是空间上都是混合在一起的。每只蚂蚁与其他蚂蚁出现碰撞的次数会降低蚁群的整体速度。为了量化这种个体碰撞/摩擦对整体速度的影响，研究人员统计了宽2厘米的桥面上7900只蚂蚁发生的相互接触，发现相互接触次数越高，蚁群的前进速度越慢，但这种规律并非绝对，而是与具体的蚁群密度有关系。一开始，随着蚁群密度的增加，整体的通行速度加快，直到蚁群密度增至中等水平（约为5只/平方厘米）时达到最高，密度再继续增加，速度则随之降低。作者认为，观察到的蚁群通行速度在后期的降低是由于蚂蚁的信息素效应。动机效应凸显，为自动驾驶汽车的研发提供了参考与人类不同的一点是，蚂蚁不受到硬性交通规则的约束。比如，当交通信号灯亮起红灯的时候，即便是周围并没有其他行人或车辆，人类驾驶员仍然需要先停车，等待绿灯亮起后再继续前行。另外，人类在交通过程中都是出于个人目的，这也使得交通拥堵现象在人类社会中无处不在；而蚂蚁作为集体有着一个共同的目标，那就是通过协调整体的行动最高效地将食物搬回巢穴。对于蚁群来说，食物沿线的交通秩序维持得越好，它们就能越快地将食物运回。这也是只将高速公路路面拓宽并不能减少交通拥堵发生的原因之一。这个研究团队曾在2008年还做过一项研究，发现个人与集体利益之间存在的固有冲突会使通勤时间延长30%，但通过限制某些道路的通行，却能够有效提高通勤效率。这与阻止更多蚂蚁进入拥堵路段的道理是相似的。虽然研究人员还没有确认这些阿根廷蚂蚁维持交通畅通的确切机制，但我们仍然可以通过研究蚂蚁的集体行为来学习它们避免拥堵的方法。这项研究也为自动驾驶汽车的研发提供了参考，未来我们或许可以参考蚂蚁的行为编写程序，让自动驾驶汽车共同协作，实现高效行驶。作者们在论文中总结：“尽管将蚂蚁的交通与人类的交通相对比将成为一项复杂的任务，因为人类的交通会被统一划分到单向的车道中，但自动驾驶汽车的兴起将让优化交通状况的政策得以施行。”作者 | 桑颂审稿 | 陈娉莹 中山大学生态学硕士文章由腾讯科普“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自科普中国参考来源：1. Poissonnier L, Motsch S, Gautrais J, Buhl J, Dussutour A. Experimental investigation of ant traffic under crowded conditions. Elife. 2019;8. doi:10.7554/elife.489452. PETERS K, JOHANSSON A, DUSSUTOUR A, HELBING D. ANALYTICAL AND NUMERICAL INVESTIGATION OF ANT BEHAVIOR UNDER CROWDED CONDITIONS. Advances in Complex Systems. 2006;09(04):337-352. doi:10.1142/s02195259060008593. Nast C. Ants Never Get Stuck in Traffic Jams. Here’s Why. Wired. https://www.wired.com/story/ants-never-get-stuck-in-traffic-jams-heres-why/. Published 2019. Accessed November 4, 2019.