对于在隧道等密闭空间中运行的蚂蚁和机器人来说，拥有更多工人并不一定意味着要完成更多的工作。正如厨房里有太多厨师相互衔接一样，在隧道中有太多的机器人会造成堵塞，导致工作停顿。

8月17日发表在“科学”杂志上的一项研究表明，在火蚁群中，少数工人进行大部分挖掘工作，使其他蚂蚁看起来不那么勤劳。对于挖掘巢穴隧道，这种不那么繁忙的方法可以在没有蚂蚁交通堵塞的情况下完成工作 - 确保平稳的挖掘流程。研究人员发现，将蚂蚁优化策略应用于自动机器人避免了机械化堵塞，并以最少的能量完成工作。

优化自主地下机器人的活动可能对灾难恢复，采矿甚至为未来的行星探险者挖掘地下掩体等任务非常有用。该研究得到了美国国家科学基金会的物理生态系统计划，陆军研究办公室和邓恩家庭教授的支持。

佐治亚理工学院物理学院教授丹尼尔戈德曼说：“我们注意到，如果你在容器中有150只蚂蚁，那么在任何时候只有10或15只蚂蚁会在隧道中挖掘。”“我们想知道为什么，并了解物理学的基本定律是如何起作用的。我们在工作环境中找到了这种看似不平等的功能性社区效益。没有它，挖掘就不会完成。”

通过监测已经绘制的30只蚂蚁的活动来识别每个人，Goldman及其同事，包括前博士后研究员Daria Monaenkova和博士。学生Bahnisikha Dutta发现，只有30%的蚂蚁正在完成70%的工作 - 这种不平等似乎使工作保持正常。然而，这显然不是因为最繁忙的蚂蚁是最合格的。当研究人员从巢式容器中取出五只最难的蚂蚁时，他们看到没有生产力下降，因为剩下的25只继续挖掘。

拥有一个巢穴对于解雇蚂蚁至关重要，如果一个群体被移位 - 例如洪水 - 蚂蚁在到达干旱地区时会做的第一件事就是开始挖掘。他们的隧道狭窄，几乎没有足够的宽度让两只蚂蚁通过，这一设计特征被假设为在发展中的垂直隧道中提供运动优势。尽管如此，蚂蚁知道如何通过从已经被其他工人占用的隧道撤退来避免制造堵塞 - 有时候根本不做任何事情。

为了避免堵塞并在没有领导者的情况下最大限度地挖掘，由高盛硕士学位学生Vadim Linevich建造的机器人被编程为捕捉徘徊和撤退蚂蚁的各个方面。研究人员发现，多达三个机器人可以在狭窄的水平隧道中有效地工作，挖掘模拟粘土的3D打印磁性塑料球。然而，如果第四个机器人进入隧道，则会产生堵塞，完全停止工作。

“当我们把四个机器人放入一个狭窄的环境中并试图让他们去挖掘时，他们立即陷入困境，”高曼说，他是物理学院的邓恩家庭教授。“在观察蚂蚁的同时，我们惊讶地发现，有时人们会去隧道，如果他们遇到了少量的堵塞，他们就会转身撤退。当我们将这些规则与机器人结合使用时，这为每个机器人的低能耗使用创造了一个快速挖掘的良好策略。“

在实验上，研究小组测试了机器人的三种潜在行为，他们称之为“渴望”，“逆转”或“懒惰”。使用热切的策略，所有四个机器人都投入了工作 - 并迅速陷入困境。在逆转行为中，当机器人遇到延误到达工作现场时，机器人放弃并转身。在懒惰的策略中，鼓励徘徊。

“如果你只有三个机器人，那么渴望是最好的策略，但是如果你增加了第四个机器人，那么这种行为就会因为它们彼此进入而产生影响，”高曼说。“逆转产生相对理智和明智的挖掘。它不是最快的策略，但没有堵塞。如果你看能量消耗，懒惰是最好的方法。”基于玻璃和过冷流体的分析技术，由前博士领导。学生杰弗里·阿吉拉尔(Jeffrey Aguilar)深入了解了不同策略如何减轻和阻止堵塞形成集群。

要了解正在发生的事情并尝试参数，高盛及其同事 - 包括乔治亚理工学院博士Will Savoie。学生，研究助理Kuan Hui-Shun和来自科罗拉多大学博尔德分校物理学院的Meredith Betterton教授 - 使用称为细胞自动机的计算机建模，它与交通工程师模拟汽车和卡车运动的方式有相似之处一条公路。

“在高速公路上，太少的汽车不能提供太多的流量，而太多的汽车会造成堵塞，”高曼说。“事物处于最佳状态的中间层面，这被称为基本图表。从我们的建模中，我们了解到蚂蚁正在图表的高峰处工作。不平等的工作分布和逆转行为的正确组合具有保持它们以最大效率运动而不会堵塞的好处。“

研究人员使用为研究设计和建造的机器人，但它们与蚂蚁的能力无法匹敌。蚂蚁具有柔韧性和坚固性，能够在狭窄的范围内挤压，导致不灵活的机器人堵塞。在某些情况下，高盛实验室的机器人甚至在撞到挖掘位置时相互损坏。

该研究结果可用于太空探索，在那里可能需要隧道来快速防止人类接近沙尘暴或其他威胁。“如果你是火星上的一个机器人群，需要深入挖掘以远离沙尘暴，这种策略可能有助于提供庇护所，而无法获得关于每个人所做事情的完美信息，”高曼解释说。

除了潜在的机器人应用之外，这项工作还提供了对蚂蚁复杂社交技能的见解，并增加了对活动物质的理解。

“居住在复杂的地下环境中的蚂蚁必须制定复杂的社会规则，以避免在拥挤的环境中有很多人时可能发生的不良事情，”高曼说。“我们也有助于理解面向任务的活动物质的物理学，将更多的实验知识应用于诸如群体等现象。”