研究螞蟻驚人的定位導航能力,或能啟發機器人及自動車的設計

作者 | 發布日期 2017 年 02 月 16 日 14:51 | 分類 機器人 , 生物科技 , 自駕車 follow us in feedly

螞蟻在大多數人心目中以勤奮及團隊合作著名,日前研究發現螞蟻驚人之處可不只是這樣,牠們的定位導航能力遠比人們想像的還更複雜,小小一隻螞蟻所具備的識路能力比我們以為的還要強。科學家發現不管螞蟻面朝哪個方向,都能處理分析所在方位並成功導航。



參與這項研究的科學家來自世界各地,其中包含了來自英國愛丁堡大學,研究西班牙塞維爾(Sevilla)一群沙漠螞蟻在搬運不同大小的食物時如何決定路線的研究團隊。參與這項研究的 Antoine Wystrach 博士表示,他們發現螞蟻的定向能力受身體方向影響不大,就算改變牠們當下的身體方向也不影響保持行進方向的能力。

數量龐大的螞蟻以社會化的組織型態共同居住在群落中,彼此之間的分工及溝通一直是科學家們感興趣的問題。但其實不需要放眼整個螞蟻社會結構,單獨一隻小小的螞蟻就非常值得研究。蟻巢中的工蟻負責找到食物,並將食物帶回蟻巢儲存,因此常需要將食物從距離蟻巢很遠的地方拖回來。

科學家在先前就已經發現螞蟻能夠利用太陽位置及對周遭的視覺記憶定位回家的路線,但先前認為這兩種方式是獨立的行為,且螞蟻需要面向行進方向來進行定位。但事實上螞蟻在搬運較重的食物時會以倒退方式前進,而最新研究結果顯示,螞蟻倒退時需要不時往回看以確認周遭環境,然後再運用所見資訊根據太陽位置決定路線。研究團隊發現藉由這樣的方式,昆蟲不管面對哪個方向都能夠維持自己的回巢路線不至於偏離。

由於當螞蟻在搬運體積較小的食物時,牠們是背著食物面對行進方向,但在搬運較大較重的食物時,牠們就會轉而拖著食物並以倒退方式前進。研究團隊在螞蟻回巢的路線中設置凹陷障礙以製造單一路線的行進方向,再分別讓螞蟻搬運大片及小片餅乾,接著觀察螞蟻如何找到回家的路。研究結果顯示,當研究人員以鏡子誤導螞蟻對太陽位置的判斷,螞蟻就會因此脫離正確的路線。

用太陽位置判斷方向

在先前的研究中,科學家認為螞蟻在向前行進時,會將當下所看到的景象與視覺記憶互相對照以找到正確的路。現在該研究團隊發現,當螞蟻改以倒退方式前進時,牠們會以太陽的位置做為判斷方向的依據。螞蟻在倒退前進時,為了要確保自己方向正確,會在一定的時間內固定放下攜帶的貨物,轉向面對行進方向確認路線。在牠們轉成正向時,就能觀察周遭環境以和先前記憶比對,並在迷路時重新調整方向。

這樣的研究結果顯示,螞蟻能夠處理外在環境空間與空間之間的相互關係,而非只能理解自身與當下所處空間的相互關係。螞蟻的體型非常小,但頭腦卻意外複雜,牠們對方位的掌握程度比人類想像還要複雜得多,在牠們小小的腦中能夠將不同形式的資訊組合成完整的判斷依據,並依此做出行為表現。這樣的訊息傳遞現象也就顯示螞蟻腦中不同形式的訊息能夠在不同腦區協同作用。研究團隊也表示,他們之後的研究方向可能朝向解開螞蟻腦部不同區塊間的配合及相互作用,了解昆蟲如何結合不同的導航方式。

這項研究與來自英國林肯大學、澳洲國立大學以及法國國家科學研究中心(CNRS)的科學家共同合作,研究成果日前已發表於科學期刊《Current Biology》。這些在螞蟻身上發現的既有彈性又強固的導航方式,啟發了新電腦運算法則的研發,能一步一步導引機器人操作。

愛丁堡大學資訊學院教授 Barbara Webb 表示,螞蟻的腦雖然只有針頭那麼大,但卻可以在許多困難的條件下成功找到正確路線,就連倒退走也不是問題,牠們的導航方式就像一台自動駕駛汽車。

研究螞蟻定位導航的行為模式能夠增進我們對腦功能的了解,並且啟發我們以類似原理建構機器人內部系統。而科學家已經能夠模擬螞蟻腦內的神經迴路,或許能夠在未來幫助機器人,在森林之類的自然環境中也能定位導航。

(首圖來源:愛丁堡大學

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