为何由简单个体组成的集体（系统）能完成复杂、抽象的任务（如白蚁筑巢）？ 第1页

你将人的经验带到了它不适合的领域，以为白蚁筑巢是“复杂、抽象的任务”，其实并非如此。简单地说“这就是涌现”也没什么用。

一两只白蚁看起来只会到处乱跑，十几只白蚁可以堆出简单的构造，数千只白蚁可以建设出庞大的隧道与拱廊，但白蚁们并没有作为紧密联系的集体进行合作，没有设计图，没有指挥中心，彼此没有沟通“一组去这边，二组去那边，其余跟我上”之类。数量增加解决的问题是“白蚁个体有限的移动速度与搬运能力”。

上面这个叫做兰顿蚂蚁，是一种简单的元胞自动机、二维图灵机：

• 平面上的正方形格被填上颜色A或颜色B，在其中一格正方形有一只“蚂蚁”。它的头部朝向上下左右其中一方。
• 若蚂蚁在颜色A的格，右转90度，将该格变色，向前移一步；
• 若蚂蚁在颜色B的格，左转90度，将该格变色，向前移一步。

可以定义更多种颜色进行循环。上图中的颜色是为了识别不同“蚂蚁个体”，规则是按黑色和非黑色运行的。

• 通常用L和R依序表示各颜色是左转还是右转，最原始的黑白两色兰顿蚂蚁的规则是RL。
• 对黑白两色兰顿蚂蚁来说，从全白的背景开始，最初数百步间，蚂蚁留下的黑色路线会出现许多对称或重复的形状，然后会出现类似混沌的假随机；在约一万步后，路线会变为以100步左右为周期、无限重复的“高速公路”，朝固定方向永远移动下去。

你可以看出，如此简单的规则就能制造巨大的混沌，而且简单规则下的多个“个体”可能互相影响而制造更大的混沌。

现实中蚂蚁、白蚁的筑巢都使用与兰顿蚂蚁类似的简单规则：

• 以基本固定的频率拿起材料并移动一段距离后放下，一般每分钟搬运2块材料。
• 在信息素标记下，优先从已经被拿过材料的地方拿起材料（这会引起舱室徐徐扩大），优先拿已经被拿过的材料（这会让堵塞通道的材料被很快移走），优先放在被拿过的材料附近（这会将材料堆起来形成支柱）。
• 移动方向和距离有一定的随机性。信息素的蒸发速度会影响支柱的布局，因此温度和湿度会影响巢穴的结构。

复杂的巢穴就是在这些简单规则下运行的大规模混沌整出来的，对每个个体来说，自己要执行的任务是简单而具体的。研究人员已经在计算机模拟中使用上述规则创造出非常像自然界的蚂蚁窝的结构，不需要给程序任何建筑学知识。该方法在现实中也可以用于机器人^[1]。

这不限于拿材料筑巢。行军蚁的肉身桥梁、火蚁的肉身筏子都是用简单的规则创造的。

桥梁的规则：发现路线上有缝隙就开始建造。一段时间内有其它个体通过产生的压力，就保持自己的位置。一段时间内没有其它个体通过，则拆除。由于一只蚂蚁可以承载一百只蚂蚁通过造成的压力，该构造非常有效。个体不需要知道桥的规模有多大、自己在桥的什么部位、其它个体在做什么。

筏子的规则：群体落入水中后，未定位的个体随机走动，抵达群体边缘后与其它个体多点连接、垂直定位。这让群体迅速摊开为“彼此间 75% 的空间被空气填充”的薄饼状，拥有稳定的浮力，并可以让位于构造底部的个体都有足够的氧气供应。个体不需要知道筏子有多大、自己在筏子的什么部位、其它个体在干什么^[2]。

蚂蚁的这些策略和人类的群体合作是截然不同的，但你的大脑里的神经元就有点这个意思了。

“涌现”一词可以表示“复杂系统在自我组织的过程中产生的各种新奇且清晰的结构、图案和特性”，你可以认为蚂蚁、白蚁的巢穴是涌现，但它们的结构其实不怎么清晰。

CT 扫描的蚂蚁窝结构，有些像海绵：

参考

1. ^ Gibney, E. Termite-inspired robots build castles. Nature (2014). https://doi.org/10.1038/nature.2014.14713
2. ^ https://www.nature.com/news/secrets-of-ant-rafts-revealed-1.15400