螞蟻，一直都是數學題裏的常客，因為它總需要從A點走到B點，然後計算它的最短行走距離，它可以走在一個立方體上，也有可能是兩個立方體上，還有可能是圓柱體上……
不管怎樣，解題的前提是建立在螞蟻走直線的前提下，可現實裏的螞蟻真的會走直線嗎？在回答這個問題之前，我們先得把話題移到沙漠上。
沙漠是最容易迷路的地方之一，除了沙子和太陽，幾乎沒有視覺線索來作為導航依據。大部份地形看起來相似，這使得辨別方向變得困難。
更別說沙漠中還有大風，吹起的飛沙不僅會改變地形還會遮擋視線。風沙還可能掩蓋行走的痕跡，使人難以找到返回的路徑。
但對於生活在突尼西亞廣袤的鹽原上的長腳沙漠螞蟻來說，找到路就是家常便飯的事，畢竟找不到路就沒法在沙漠裏生存，早滅絕了。它們一般都會單獨行動，獨自出門找一些昆蟲的屍體作為食物。有時覓食的距離可以達到幾十米甚至上百米。找到食物後用顎咬住拖到巢裏。
正在拖行蜘蛛屍體的長腳沙漠螞蟻
圖片來源：Harald Wolf
那它們是怎麽找到回家的路呢？
早在2000年，哈拉爾德·沃爾夫 （Harald Wolf）就開始研究沙漠螞蟻的導航了。那時候，沃爾夫就發現螞蟻回家的路幾乎不會是直線的。
實驗記錄下5只沙漠螞蟻在接近食物源時的行走軌跡，紅色圓圈表示食物點的位置，可以看到這些螞蟻的路徑並非直線
圖片來源：參考文獻1
科學家發現，不管是沙漠螞蟻頭朝前走時，還是拖著食物往後走時，螞蟻都會呈現出塗鴉式的彎曲軌跡（下圖），幾乎找不到章法，只不過朝前走時，路徑線條看起來稍微順滑一些。
塗鴉式的彎曲軌跡
圖片來源：Harald Wolf
根據這篇文章的研究結果，沙漠螞蟻能夠有效地結合視覺和氣味線索來定位食物來源。這只是一開始的試驗結果，經過20年的不斷研究，沃爾夫發現沙漠螞蟻的導航能力十分復雜，不只是簡單的視覺線索和氣味線索，還有路徑積分和太陽導航。
路徑積分是最主要的導航方式，我們可以把這個過程想象成一種「螞蟻GPS」。科學家是怎麽知道的呢？他們做了一個改變螞蟻腿長的試驗。他們給一部份螞蟻增加腿長，裝上「小高蹺」，使它們每一步邁得更大。還有一部份螞蟻則減少腿長，透過剪短螞蟻的腿，使它們每一步邁得更小。然後在實驗場地上鋪設沙子並記錄螞蟻的行走路徑。科學家觀察並記錄螞蟻從巢穴到食物點的行走軌跡。
透過高速攝影儀記錄螞蟻的路徑
圖片來源：Harald Wolf
被加長腿和減短腿短沙漠螞蟻
圖片來源：文獻4
科學家透過記錄螞蟻的行走方向和步數，計算出它們的總行進距離和方向。將螞蟻的所有行走路徑合成，得出它們返回巢穴的直線距離和方向。他們發現，當螞蟻的步長被改變時，它們返回巢穴的位置發生了變化。這表明螞蟻依賴步數和步幅來計算行進距離。
正在沙漠裏試驗的沃爾夫
圖片來源：參考文獻4
你可以想象一下有一只沙漠螞蟻從巢穴出發去找食物。它先向東走了50步，然後向北走了30步，最後向西走20步找到了食物。它的路徑像是一個「之」字形。現在它要回家了，它會計算出一個直接回家的路徑，這條路徑可能是先向南走30步，再向西走30步。
這也是沙漠螞蟻走不出直線的直接原因，多種導航機制的結合和交互作用導致螞蟻偏離直線。
在最新的研究中，科學家發現在一些情況下螞蟻的路徑不僅不是直線，而且是彎彎曲曲的，沒有規律，顯示出隨機漫步的特征，類似於布朗運動。
實驗場地
圖片來源：Harald Wolf
他們透過追蹤並記錄螞蟻尋找食物和返回巢穴的路徑，進一步測量路徑角度的變化。他們將螞蟻的路徑分成小段，每段約50厘米長，測量每段路徑之間的角度變化。例如，如果螞蟻先向東走，然後向北走，這兩個方向之間的角度是90度。
螞蟻從起點到終點的路徑
圖片來源：參考文獻2
之後，科學家對所有角度進行統計分析，計算出角度的平均值和分布情況。結果發現，這些角度在0到360度之間均勻分布，說明沙漠螞蟻的路徑是隨機的，類似於布朗運動。當然，沙漠螞蟻的布朗運動特征並非在所有搜尋行動中出現，而是主要在找不到目標時，它們會開始進行搜尋行為。此時，它們的行走路徑表現出明顯的布朗運動特征。
當接近目標時也就是快到巢穴和餵食點時，沙漠螞蟻的路徑才會慢慢走直。也就是說，沙漠螞蟻只要一出門，幾乎都是隨機的布朗運動，而在找到食物快到家門口時才會慢慢呈現出直線。
2019年，法國科學家受到沙漠螞蟻的啟發，設計出一種名為AntBot的機器人，這個機器人能夠在沒有GPS的情況下自主導航，並找到返回基地的路徑。這個機器人重2.3公斤，有六條腿，能夠在崎嶇不平的地形上移動。
AntBot
圖片來源：sciencedaily
AntBot配備了一個光學羅盤，能夠感知天空的偏振光。這種羅盤可以在晴天或多雲的天氣條件下，以0.4度的精度測量方向。同時，機器人還裝有一個光流傳感器，用來測量相對運動。這種傳感器透過觀察地面紋理的變化來計算行進的距離。類似於螞蟻的路徑積分機制，AntBot也會計數它的步數，準確計算出走了多遠。
在實驗中，AntBot能夠在復雜環境中隨機探索，並精確返回起始位置，誤差不超過1厘米。沒想到吧，也許有一天，機器人不再需要GPS也能導航，而這一切的靈感都源於小小的沙漠螞蟻。
參考文獻：
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[4] Gadagkar R. How to Design Experiments in Animal Behaviour: 5. How Do Ants Estimate the Distance Walked?J. Resonance, 2019, 24: 875-889.
[5] CNRS. "The first walking robot that moves without GPS." ScienceDaily. ScienceDaily, 13 February 2019.
[6] TechXplore. "The first walking robot that moves without GPS." 13 February 2019.
出品：科普中國
作者：蘇澄宇（科普創作者）
監制：中國科普博覽
