（文/Katharine Gammon）索契冬奥会刚过去不久，运动员们都表现出了各自非凡的力量和技巧，着实精彩。此时在另一片大陆上，来自俄亥俄州立大学哥伦布分校的一只研究小组却在关注自然界中一类了不起的运动员——它们身形虽小，但力量和技巧绝不输人类运动员。它们就是蚂蚁。
长结织叶蚁（6mg）拖着雏鸟尸体（7g）的照片。图片来源：Taylor and Francis Group
在此之前曾有人拍到过长结织叶蚁（Oecophylla longinoda）挪动雏鸟尸体的照片，于是人们得以估算蚂蚁的力量。“我们猜测蚂蚁能够举起自己体重1000倍的重物，于是想着也许能从这里入手，”卡洛斯·卡斯特罗如是说；他是该校的一名机械和航空工程师，领导着这个研究小组，“起初我们没想到这些蚂蚁有什么极端厉害的能力，但它们终究给了我们惊喜。”——他们的研究成果于上个月发表，表明普通蚂蚁的颈部关节能够承受5000倍自己体重的重量，大大超出之前的估计值。
手段略残忍，结果较圆满
卡斯特罗和他的队友们以墩巢蚁（Formica exsectoides）*作为研究对象。他们将蚂蚁麻醉之后，把蚂蚁头部黏在一个光盘大小的轮盘边缘，腹部冲外。轮盘转得越快，蚂蚁脖子受到的力越大——直到它承受不住而变形，身体被甩掉。他们由此测得头身分开时的离心力是蚂蚁平均体重的3400至5000倍。 “我们得在轮盘四周立一圈树脂玻璃，来保护（旁边的）那些博士生，”卡斯特罗说，“因为在脖子断开的时候，蚂蚁的身体会飞出来。”
测量颈部力量的装置和原理示意图。
除此之外，他们还利用X光断层技术在电脑中重建了蚂蚁颈部关节的3D模型。他发现蚂蚁颈部的表面有许多突起和下陷，这能帮助它们扛起大的重物。
“从材料来看，我们发现蚂蚁脖子的构成和其它昆虫类似，”卡斯特罗说：“我们觉得让蚂蚁力气大的并不是材料上的设计，而是（机械结构的）设计。” 为了了解这个结构的特性，研究小组用不同的角度固定蚂蚁的头，然后测量相应的最大承受力。他们发现，蚂蚁很有可能通过调整这个角度来搬运不同重量的物体。
蚂蚁头、颈及部分胸部的3D模型。黑色的比例尺是0.25毫米。
他们随后对得到的3D模型进行了有限元受力分析，发现蚂蚁脖子外硬内软的结构有利于它承受更大的力；若去掉贯穿内部的软质食道再分析，负重量就会大打折扣，这可能与食道在内部对两个体节的牵拉作用有关。同时，张力被转移集中至头颈交界的颈膜和幕状骨处，而这里不同张角下承受的最大张力为2×109帕，相当于近两千个大气压。而这只是蚂蚁几丁质的外骨骼。如果人们在模仿这种结构制造零件时，在这些部位换用强度更大的材料，它的载量也许还能继续增加。
有限元分析蚂蚁颈部的受力，得到的局部张力色阶图，F是施加的力，FS是固定蚂蚁头部的平面，θ是力和体轴的夹角。右图是左边的放大，比例尺为0.2毫米。根据受力分析，颈部承受的最大张力为σmax=2×109帕。
来自生物学的质疑，来自工程学的期待
由于研究人员靠“甩”来测定蚂蚁的力量——这项研究难免遭到部分研究者的质疑，因为它没有表明蚂蚁在实际情况中能举起多少重量。
德国弗莱堡学院大学的生物学家卡琳·默尔（Karin Moll）也在研究蚂蚁，她认为，尽管体重的5000倍十分可观，但它并不一定是蚂蚁实际能抬起的重量。“（这篇文章的）作者们表明了蚂蚁能够承受那么多的力，但这个（测量的）情境和搬东西不一样……事实上它们搬的重物要小得多，”默尔在写向Inside Science编辑部的邮件中说道。
无独有偶，格拉斯哥大学的研究员托马斯·恩德莱因（Thomas Endlein）致力于研究蚂蚁有黏附力的腿。他补充说，搬重物不仅仅是局部受力那么简单，还得考虑很多因素，比如肌肉的力量、结构的稳固性，以及整个蚂蚁的平衡。“肌肉的力量通常不构成问题，因为小型动物通常肌肉力量与体重的比值更大，”他在给IS编辑部的邮件中写道，“不过，保持重物（和身体的）平衡可是个大问题。首先，蚂蚁得把重物从地上抬起来，这在物品很重或形状很怪的时候可是个技术活。然后，一边走路一边让物品保持平衡并举过头顶，这也是一个技术活，一不小心就会翻跟头。”
不过，也有研究者对这个研究保持肯定。来自俄克拉荷马大学的生物学家麦克·卡斯帕里（Mike Kaspari）说，微机器人学（microbotics）是一项最令人振奋的新技术；这是一个是融合生物学和工程学的交叉学科，旨在建造仿生的小机器人。 “（我们）希望，这些廉价的微型机器人能探索，监控，并且修复我们的环境，而且能结队发挥作用，”他说，“这项研究又是一个可爱的例子，通过用工程学的视角研究蚂蚁而获得设计灵感。”
卡斯特罗说，借用蚂蚁颈部关节的设计原理，人们能够建造能有效举起并搬运重物的机器人。研究人员们也能想出更好的材料组合，用来模拟这个关节上硬度不同的各个部位。 他打算继续研究蚂蚁，用机械的视角剖析它们的肌肉组织，以及蚁群中不同工种的蚂蚁们的构造差异。“我们选的是最普通的蚂蚁，”他说，“最厉害的蚂蚁也许能承受自己体重一万倍的力。”
编译自：Katharine Gammon, Ants Are Even Stronger Than You Imagine. Inside Science News Service
文章题图：shutterstock友情提供
*：网友@深山虫吟 指出，研究者采用的蚂蚁并非此前文章中所述的长结织叶蚁（Oecophylla longinoda）。经查看原论文核实，该研究中所用材料应为阿勒格尼土墩蚂蚁（Formica exsectoides）。多谢斧正。