会看路标、自带导航 让小蚂蚁倒着也能走回家

昆虫一直是现代科学研究的主要对象之一，随着科技的进步，人类研究昆虫，也早已从基础研究走向了技术应用，例如毫不起眼的蚂蚁。

近日有媒体报道称，研究人员通过对“蚂蚁搬家”行为的进一步研究发现：蚂蚁使用多种方法来寻找自己的路，即使在后退时，它们也能识别熟悉的风景，对于这样的小昆虫来说，这是一种高度复杂的视觉。

是什么赋予了蚂蚁如此强大的路径识别能力？蚂蚁的生物功能对于现代科学技术有哪些启发和应用帮助呢？

　　蚂蚁认路不光靠眼睛看

“如果只观察而不干扰，蚂蚁外出觅食和返回巢穴的全过程基本很顺利，即使途中有停顿，但几乎不会走弯路；但是如果对蚂蚁走过的地方进行阻断和干扰，蚂蚁在走到被干扰地点时就会原地打转，或者先后向不同的几个方向试探前进，最终又回到原地。”内蒙古生物技术研究院生物材料创新工作室高级工程师张志刚在接受科技日报记者采访时表示，早年间，他在研究蚂蚁体内营养成分的时候，闲暇时也曾对蚂蚁识别路径的能力做过一些实验。“我们发现，即使是拖着沉重的食物倒行，只要蚂蚁走过的路径不被干扰，它们仍然能够顺利、快速返回巢穴。”

蚂蚁这种识途本领是否完全依靠视觉呢？有研究表明，蚂蚁的眼睛是由成百上千的单眼结构构成的复眼，但如此多的眼睛并没有帮助蚂蚁更好地洞悉周围发生的一切，因为它的视力只有人类平均视力的十分之一。

昆虫一直是现代科学研究的主要对象之一，随着科技的进步，人类研究昆虫，也早已从基础研究走向了技术应用，例如毫不起眼的蚂蚁。

近日有媒体报道称，研究人员通过对“蚂蚁搬家”行为的进一步研究发现：蚂蚁使用多种方法来寻找自己的路，即使在后退时，它们也能识别熟悉的风景，对于这样的小昆虫来说，这是一种高度复杂的视觉。

是什么赋予了蚂蚁如此强大的路径识别能力？蚂蚁的生物功能对于现代科学技术有哪些启发和应用帮助呢？

　　蚂蚁认路不光靠眼睛看

“如果只观察而不干扰，蚂蚁外出觅食和返回巢穴的全过程基本很顺利，即使途中有停顿，但几乎不会走弯路；但是如果对蚂蚁走过的地方进行阻断和干扰，蚂蚁在走到被干扰地点时就会原地打转，或者先后向不同的几个方向试探前进，最终又回到原地。”内蒙古生物技术研究院生物材料创新工作室高级工程师张志刚在接受科技日报记者采访时表示，早年间，他在研究蚂蚁体内营养成分的时候，闲暇时也曾对蚂蚁识别路径的能力做过一些实验。“我们发现，即使是拖着沉重的食物倒行，只要蚂蚁走过的路径不被干扰，它们仍然能够顺利、快速返回巢穴。”

蚂蚁这种识途本领是否完全依靠视觉呢？有研究表明，蚂蚁的眼睛是由成百上千的单眼结构构成的复眼，但如此多的眼睛并没有帮助蚂蚁更好地洞悉周围发生的一切，因为它的视力只有人类平均视力的十分之一。

一个研究小组通过对西班牙沙漠蚂蚁的研究发现，蚂蚁使用多种方法来找到自己的路，即使它们向后走，也可以识别出熟悉的路线。

西班牙沙漠蚂蚁在向前走时，使用了一种称为“路径整合”的策略：它们记得自己走过的曲折感觉以及从巢穴走了几步，用于计算最快的回家路线。

它们还依靠太阳的角度来获取方位，环顾四周的景色，并记住某些可以帮助他们返回的地标。但是，蚂蚁在向后走时，是否也能采用向前走时的策略呢？

有英国科学家研究发现，实际上蚂蚁是使用每个步幅，并测量每个步幅大小，来完成倒退行走的。他们认为，蚂蚁通过测量步幅大小来实现倒退导航的，因为它们能够精确测量自己行走的距离，甚至每个腿分别移动的距离。

然而同时，有一个事实令他们感到困惑：当所有定位巢穴的视觉和气味线索都是错误的方向时，为什么蚂蚁仍能沿着正确的方向倒退行走？

对此，近期一项同样来自于欧洲的研究结论似乎可以予以补充：蚂蚁的眼睛有很宽的视角——有近360度的视野，而人类在不转头的情况下，只能看到它们周围1/3的环境。当蚂蚁离开巢穴时，它们很可能会从身旁和身后获取信息，然后在拖拽食物时利用这些信息“导航”。

爱丁堡大学信息技术教授芭芭拉·韦柏在研究了蚂蚁的导航功能后表示：“蚂蚁不仅依靠观察沿途景观来认路，而且脑内还有精准的导航。它们甚至懂得在天空做标记，让自己每次都能顺利找到回家的路线。”

张志刚介绍说：“现在全球大量的研究证明，蚂蚁识途，依靠的是一整套极其复杂的系统，而这个系统，不仅仅包括视觉，还包括视觉记忆、气味、甚至天文学原理。”

时至今日，蚂蚁的识途本领仍在不断刷新着科学家们的认知。

　　受蚂蚁启发的新型导航

上世纪90年代初，一个名为“蚁群算法”（又称“蚂蚁算法”）的概念的提出，正式开启了蚂蚁导航功能的应用研究。“蚁群算法”的提出者、布鲁塞尔自由大学的计算机科学家马尔科·多里戈认为，人类完全可以利用蚂蚁行为中的知识创造可用来解决复杂人类问题的数学方法，比如安排卡车运输路线、调度航班或制导军事机器人。

随着理论的不断完善，蚁群算法逐步从蚂蚁的活动范围、生活环境、觅食规则、移动规则、避障规则、信息素规则等方面入手，研究出一系列适用于人类活动的优化计算方法。

基于这样的计算原理，发达国家的技术应用已经见到实效。2019年年初，法国科学家开发出一种能像蚂蚁一样导航的六足机器人，命名为“antbot”。这种六足机器人的导航系统借鉴了沙漠蚂蚁的导航原理，即觅食的蚂蚁能通过留在地上的信息素找到返回栖息地的路。

依靠现代科技，这种机器人还配备了一个用于根据天空中的偏振光检查其航向的光学罗盘，以及一个用于直观地确定它从起点到终点需要走多远的光学运动传感器。据报道，这样的设置允许机器人探索周围14米（46英尺）的总距离，并以精确度高达1厘米（0.4英寸）的速度回到基地。

张志刚告诉记者：“事实上，我国的科学家也已经开始了蚁群算法的应用研究，研究方向主要是导航计算方法和导航产品研发；蚁群算法是一种用来在图中寻找优化路径的机率型算法，具有明确的反馈机制、并行分布式计算及良好的自启发机制等优点，在求解庞杂的组合优化问题方面具有明显的优越性。”

张志刚表示，在不久的将来，我们完全可以制造出一种导航系统模型，而这种导航系统，可以将路上行驶的每台车辆视为一只蚂蚁，每辆在行驶过程中的车辆，通过导航终端将所经过的路径长度、通行时延等评判信息实时上传至导航中心服务器端。“当后续车辆进行寻路导航时，导航系统可根据其他车辆的实时反馈评判信息，对该车辆可能行驶的路线进行评判，从而可以求解出最优的路线作为车辆的行驶方向和路线。”