在携带重物穿越迷宫的任务中,蚂蚁更强大还是人类更好?

网友们纷纷惊呼，「这太疯狂了。人类蚂蚁擅长集体解决问题，携带在某些情况下甚至比人类更聪明！重物这可能会给人工智能和团队合作提供新的迷宫蚂蚁灵感」。

还有人说人工智能其实就是任大还蚂蚁智能。

魏茨曼科学研究所的携带研究团队开始了这项创造性的研究「进化」竞赛实验是为了回答一个有趣的问题：

在携带重物穿越迷宫的任务中， 蚂蚁更强大还是重物人类更好？

论文地址：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2414274121

它们是经典的「钢琴搬运问题」（piano movers puzzle）为了灵感，设计了一个真实版本的迷宫蚂蚁实验。

参与者需要从起点到终点移动一个T形物体，通过三个由两个狭窄通道连接的房间。

为了保证公平，研究团队制作了两套不同尺寸的迷宫，分别适合蚂蚁和人类的体型。

在实验过程中，人类团队被要求不要通过说话、手势交流，甚至戴口罩和太阳镜来遮挡面部表情。

结果表明，蚂蚁不仅在团队中表现优于个人，而且在某些情况下超越了人类团队。

值得一提的是，最新的研究已经发表在PNAS期刊上。

Ofer Feinerman教授说，蚂蚁群体表现出协同计算和战略思维的能力，并有集体记忆，从而帮助它们坚持特定的运动方向，避免错误。

Tabea dreyer和Ofer 教授Feinerman

那蚂蚁们是如何合作完成这个问题的呢？

所有这些，都和「集体认知」相关的。群居生活给他们带来了很多优势。

这也是自然界中常见的现象：群体可以感知环境，整合信息，做出反应，有时甚至超过个人能力的极限。

在自然界中，能够进行如此大规模的合作运输的物种极其罕见。

除人类外，目前已知物种中只有约40%的蚂蚁有这种能力。

这位科学家提供了一个很好的研究机会。

如前所述，「钢琴搬运问题」是团队设计实验的原型。这是一个操作实验，是计算机运动规划和机器人领域的经典计算问题。

在复杂的环境中，参与者需要将形状不规则的物体(如钢琴)从A点移动到B点。

因为这个问题纯粹是几何问题，所以可以在尺寸上缩放——可以小到一只蚂蚁可以处理，也可以大到整个蚂蚁群需要合作。

在论文中，团队选择了长角立毛蚁（Paratrechina longicornis）身长约3毫米的参赛选手，因其长长的触角而得名，有时也被称为「疯蚂蚁」。

蚂蚁需要在一个由三个房间组成的矩形区域携带一个T形物体。

这些房间的每个房间都由两个窄缝连接。

蚂蚁要想完成任务，必须将T形物体从最左边房间的初始位置(图1C中的a)穿过第二个房间，到达与外界相连的第三个房间(图1C) 中的h）。

这个谜题的最佳解决方案是不需要任何冗余步骤，操作顺序如图1C中的绿色箭头所示。

在实验中，研究人员依次向人类和蚂蚁展示了两个谜题。

这个版本A是为蚂蚁定制的，T形物体被制成食物的形状，鼓励蚂蚁把它搬到第三个房间。

B的版本是为人类定制的。

这个谜题的设计，对于两个物种来说都是一个很大的挑战。

对人类来说，挑战在于必须进行准确的长度评估、心理旋转和对称理解，以区分可行的移动和死胡同。

对于蚂蚁来说，因为它们是基于信息素通信的，它们既不考虑物体大小和门尺寸之间的关系，也不考虑物体的旋转，这使得它们的集体导航策略毫无用处。

人类：单人、6-9人组、26人组

人类参与者被要求只能模拟蚂蚁抓取方式的把手来搬运物体。此外，手柄上还安装了一个测量器，以记录整个过程中每个人施加的张力。

在使用计算机模拟和各种物理模型的同时，研究人员对每个组合进行了多次实验，然后仔细分析视频和所有高级跟踪数据。

蚂蚁和人类可以通过负载构型尝试运动学（load’s configuration）r(t) 描述时间的演变。这涉及三种自由，其中，x(t) 、y(t) 它是负载质心的空间坐标，与负载周围到质心的平均距离θ(t)相乘。

方向是一个周期性坐标，它乘以从负载周围到质地的平均距离r_av，r_avθ(t)实际上，在负载旋转过程中测量了附着在搬运工上的平均行走距离。

为了实现不同尺寸解决方案的可比性，团队作者采用了第二个房间宽度d_cor构型r(t)归一化。

谜题的「构型空间」，也就是说，如图D所示，几何上允许的所有负载结构的集合。

如图所示，底部的黑色轨迹，任何解决方案尝试的动态都可以理解为这个空间中的连续轨迹。

为了分析解决方案的轨迹，作者进一步将构型空间划分为较小的体积，对应于上图C中描述的「状态」。

作为衡量每个解决方案性能的总体指标，他们还绘制了在给定的构型空间中成功解决问题的百分比（图2A适用于蚂蚁和人类）以及在给定的试验状态转换次数（图2B适用于人类）中成功解决问题的百分比。

结果表明，平均而言，人类解决方案的表现优于蚂蚁解决方案(图2A)。

当然，在性能分布重叠的实验中，最好的蚂蚁解决方案可以超过表现在最差的人类解决方案。

此外，大蚂蚁群体明显优于单蚂蚁和小蚂蚁群体。

虽然单只蚂蚁可以通过连续操作完成任务，但其性能明显低于群体。

为了理解为什么大蚂蚁群体的表现优于小蚂蚁群体，我们首先需要关注它们在谜题场地狭窄空间内的运动特征。

当大群蚂蚁携带的大负载与边界碰撞时，它不会停止或后退，如下图A所示。

相反，它的运动方向和速度变化很小，并且会沿着边界长距离滑行(图C)。

相比之下，当小群蚂蚁携带的小负载与边界碰撞时，往往会失去大量的速度(图B)。当运动恢复时，负载往往会朝着不同的方向发展。

大群体和小群体之间的这些差异与之前的研究结果一致，表明大蚂蚁群体的方向变化需要不成比例的更大的干扰。

一只蚂蚁整整盘旋了一分钟，也没有成功地将T形重物从迷宫中移除(加速10倍)。

对于一小群蚂蚁来说，它们最终通过合作成功搬出(加速10倍)。

所以，对于群体来说，就像开头看到的那样，很容易完成任务。

下面这两个模拟动画展示了一小群蚂蚁，一大群蚂蚁在解决问题的过程中(分别加速18倍和10倍)。

在有限的通信条件下，人类群体没有表现出像蚂蚁一样强大的规模优势。

相反，他们的群体表现不如个人。

有趣的是，在允许沟通的情况下，人类群体的表现效果发生了逆转。

一个人解决问题的过程(加速10倍)。

这是一群人解决问题的过程(加速10倍)。

运输蚂蚁的集体有序状态暂时储存了当前运动方向的记忆。

因此，「集体记忆」它是一种特征的出现，而不是个体特征。

记忆的出现使蚂蚁群体能够进行近乎确定、持续的墙面扫描，这可能会促使它们在搜索空间中找到最短的路径。

这种出现的边界跟随启发式方法使大蚂蚁群体明显优于小群体和单蚂蚁群体。

记忆、方向性运动、系统搜索和启发性方法的应用是人类解决问题的典型特征。

因此，认知工具箱的扩展使大型蚁群能够以类似于人类解决问题的方式处理问题。

与蚂蚁不同，人类可以以个人形式成功解决问题，但群体化增加了障碍，因为高效运动需要达成共识。

在人类的沟通群体中，成员们花了很多时间讨论和决定下一步行动，所以他们的表现与个人相似。

当交流受到限制时，人类在社会交流中完全用一种更快的社会组合启发方式取代了辩论启发方式。

在这种情况下，他们经常采取不同于经过深思熟虑的行动，并倾向于选择最低共识。

一旦任务开始移动，受限沟通群体中的人类只会将拉力与运动方向对齐。这种放弃个人认知能力再次让人想起蚂蚁的集体行为。

因此，在解决有限沟通的问题时，大群体的合作能力通过使用一些蚂蚁特征来下降。这一结果可以在允许沟通的情况下解除。

通过比较极端案例，可以更全面地了解动物群体解决集体问题的能力：人类以个人认知能力为突出特征，蚂蚁在合作方面表现出色。

人类在选择认知工具时更加灵活，可以精细调整问题解决策略，以适应特定的任务。虽然这种灵活性可以提高个人表现，但不可避免地会导致人际差异，这可能需要更先进的沟通，以避免集体表现恶化，实现有效的合作。

蚂蚁和人类之间的差异揭示了两种进化路径，它们在个体和集体层面的认知能力分配方式上是不同的。

通过比较，研究带来了深刻的启示：需要理论研究来确定个人规模的复杂性和群体层面合作的容易性之间的平衡。跨系统发展树的比较研究可以用来探索这种平衡的经验例子。

此外，本研究对机器人群体的设计具有重要的参考价值。

也许在某些方面，人类还需要向自然物种学习，特别是在真正的团队合作方面。

毕竟有时候，最伟大的智慧可能来自最小的生命。