睿者思考·城市交通设计<为什么蚂蚁永远不会“堵车”>

为什么蚂蚁永远不会堵车？

在狭小通道中也能保持交通顺畅的蚂蚁

对于中国各大城市的上班族，每天两次的交通堵塞都不可避免。令科学家费解的是，蚁群在觅食时，大量的蚂蚁会处于搬食回巢和出去觅食的双向流动中，但它们却不会发生拥堵。最近发表在elife上的一项研究，揭示了蚂蚁不“堵车”的原因：不同于各怀心思的人类，蚂蚁群有一个共同的目标——为了群体的生存。

不会“塞车”的蚂蚁

相对而言，蚂蚁比人类拥有更多的群体行为，算得上是群体行为的典范物种。当一些蚂蚁被隔开时，它们是一个个单独的个体。但它们聚在一起时，更像是一个单独的整体在采取行动。最近的十年内，科学家也对蚂蚁等多种昆虫的群体行为进行了大量研究。

2008年，德国科学家在实验室建立了一条微型的、相互交叉的蚂蚁通道。蚂蚁需要通过这些道路，在巢穴和一个有糖的食物源之间来回爬行。研究人员想以此来观察，蚂蚁会在多快的时间内找到两者之间最短的路径。他们最初猜测蚂蚁会和人群一样，出现交通堵塞。然而结果却和预测的截然不同，实际上一旦去觅食的蚂蚁被搬运食物返回巢穴的蚂蚁阻挡时，它们就会再去找一条新的替代路径。

去年，美国佐治亚理工学院的物理学家Daniel Goldman研究了火蚁是如何优化通道挖掘效率的。它们挖的通道其实十分狭小，只能刚好让两只火蚁同时通过，但却很少发生拥堵现象。这是因为，当一只火蚁进入已有其他火蚁工作的通道时，它会再去寻找另一个通道。这保证了在任意时间内，只有一部分的火蚁在挖通道。最终30%的火蚁完成了70%的挖掘工作量。

与人类的上下班高峰相比，大量的蚂蚁觅食高峰时期的交通情况会更好，这一点仍然非常神秘。最近发表在eLife上的一项研究显示，即使在很拥挤的条件下，蚂蚁仍能维持通畅和高效流动的原因在于，蚁群可以根据环境的改变，采取适当的行为。

自适应保证交通

在最新的一项研究中，法国图卢兹大学动物认知研究中心和美国亚利桑那大学的科学家，对阿根廷蚂蚁（Linepithema humile）进行了试验。研究中，他们利用桥梁将蚂蚁群落与同一个食物源连接。另外，为了更好地调控蚁群的流通密度，他们给不同大小的蚁群（从400只到25600只的蚂蚁）分别安排了不同桥面宽度的桥。然后，科学家进行了170次试验，来监测蚂蚁的交通情况，并记录蚂蚁的交通流量（在单位时间内覆盖给定距离的蚂蚁数量，q）、爬行速度（v）和蚂蚁之间碰撞的次数（C）。

蚂蚁试验模型

研究人员发现，当蚂蚁的数量占据桥面积的80%时，交通依旧能保持流畅和稳定。而在我们人类的交通中，当行人和汽车才占到道路面积的40%时，交通速度就开始变缓了。

那蚂蚁不会出现交通拥堵的秘诀是什么呢？研究人员发现，关键在于蚂蚁能对行为进行自我调节，当蚂蚁的数量增加、交通开始拥堵时，它们能根据环境的需要调整和适应新的“交通规则”。

 桥上的蚂蚁密度增大时，蚂蚁的移动速度下降。

比如当蚂蚁进入拥挤的道路时，它们能调节自己的行为，以保证桥上的蚂蚁数量不会超过桥宽所能提供的最大流量。

蚂蚁在桥上的交通流量，会随着蚂蚁的密度先增加，后趋于稳定。

人类的交通情况主要会受到交通法规、行人或司机之间的交流（一般是因为出现了冒犯行为）和负反馈行为（比如行人或汽车都想方设法往前挤）的调控。而在蚂蚁的交通中，更多的是正反馈调节（比如跟随和强化同伴走过的踪迹）。蚂蚁之间的交流会消耗一点时间，但对整个群体通常是有益的，因为这样能够促进信息的传递。

 蚂蚁密度增加时，蚂蚁间接触的次数增多，也会使蚂蚁花交通上的时间呈线性增加。

而蚂蚁之间的交流与交通的动态变化也密切相关。2015年发表的一项研究中，科学家发现火蚁之间交流时间相对较短，只有0.45秒，并且在火蚁达到一个数量阈值之前，它们都能保持交通流畅。

而在新研究发现，阿根廷蚂蚁的交流时间大概要比火蚁快2倍。而更短的交流时间也意味着，在更大的交通流量范围内，这些蚂蚁能更快地调节速度，依旧能保持交通的流畅。

集体高于个体的结果

当然，蚂蚁并不需要遵守人类社会中的交通规则，比如即使面前没有任何汽车需要横穿，汽车司机还是必须在一个红灯前面停下。“在我们的社会中，交通拥堵之所以普遍存在，是因为每个人都有自己的目的，”研究的作者说，“但蚁群中的蚂蚁有一个共同的目标，即群体的生存。因此它们需要团结合作，保证搬回巢穴的食物最多。”

在搬运食物时，它们维持的交通流畅性越好，它们越能将更多的食物运回巢穴。除此之外，2008年发表的一项研究显示，在个人利益和集体利益之间存在一个天生的矛盾点。正是由于每个人的目的不同，使我们在交通上需要另外花费30%的时间。

研究者认为这是“混乱的代价”。这也是就算扩宽高速公路，也不会减少人类交通拥堵的一个原因。而能改善人类交通问题的方法，可能是封闭主路上的周围一些岔路，因为这样可以逼迫司机像蚂蚁一样，去发现另一条替代路径。

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目前，蚁群如何一直保持交通流畅的机制还是未知的。因为这种集群就像是许多粒子在相互作用的系统，因此通过研究蚁群中蚂蚁间的合作，我们能获得一些有用的原理，来帮助分子生物学、统计物理学和电子通讯等众多领域的科学家。这些从蚁群中获得的灵感，或许还能帮助我们给自动汽车编程，让他们像蚂蚁一样能调控行动，提升交通运转效率。

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或许，交通拥堵的本质是集体主义与个体主义的矛盾。而建立在各种大数据分析基础上的分析，也许从逻辑上本身就是错误的！改善这一点，需要城市设计师更多的从人性的角度去进行设计。也从侧面证明，城市设计本身是感性与理性的结合体...

参考链接：

https://arstechnica.com/science/2019/10/study-ants-are-immune-to-traffic-jams/

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编辑 ∑Gemini

 来源：环球科学、算法与数学之美

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