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•紅火蟻在蟻巢遭受洪水淹沒時能聚集成筏、集體漂浮於水面上避免溺斃，同時讓族群四處擴散、拓展領域。
•在過去，蟻筏的成因被認為是表面張力。但研究團隊發現費洛蒙的可能作用及蟻筏的結構特性，例如零帕松比和自我修復能力皆與蟻筏形成有關。
•紅火蟻蟻筏的結構特性有助於仿生材料開發，可應用於人工韌帶或其他需要特殊機械性能的材料中。

 
經過億萬年的演化，許多動物的群體行為令人嘆為觀止，例如鳥群和魚群的整體形狀［註］、細胞運動和細菌成長。整個生物群體如何從簡單的微觀規則出發，在缺乏類似大腦的整合且群體成員都互不知情的情況下，對環境帶來的挑戰做出有效且多樣的反應。這是研究仿生學（biomimetics）領域的科學家與材料學家，希望能了解進而模仿的。
 

［註］鳥群和魚群的整體形狀可以瞬時萬變，有時是為了迷惑、嚇阻或閃躲天敵，有時則是順應氣流和水流的變化。

紅火蟻的結筏能力

紅火蟻（Solenopsis invicta）原生於降水量充沛的亞馬遜雨林，當洪水淹沒蟻巢時，牠們演化出聚集成筏、漂浮水面之上的能力。除了能避免溺斃之外，還可藉此讓族群四處擴散、拓展領域範圍（圖一）。在隨波逐流的同時，蟻筏還會三不五時改變形狀，伸出類似變形蟲的偽足勾住鄰近的樹枝或水草，以便安全回到陸地。這種獨特的生物結筏現象在過去被認為是表面張力所致，也因為很像早餐穀片在牛奶上結團，而被稱為「穀片效應」（cheerios effect）。

 
但如果紅火蟻結筏行為的原因真是過去專家主張的「穀片效應」，那除了紅火蟻和生活在德國山區、瀕臨絕種的塞氏紅褐山蟻（Formica selysi）外，其他種類的螞蟻為什麼不會結筏？這個解釋顯然並不充分。為了研究紅火蟻的結筏成因，筆者團隊開始進行實驗。一開始，我們在裝了紅火蟻的容器裡倒水、迫使牠們聚集到逐漸縮小的乾燥表面。此時紅火蟻果然很快就開始組成蟻筏，這讓我們確信表面張力不是結筏的必要條件。但是身為物理學家，除了討論這些比較偏生物的螞蟻結筏原因，也希望能拉回且發揮我們的專業，也就是物理和材料學。因此我們想到：可以將蟻筏視為由一群會自行移動的單元（active particle）所組成，且此單元還能自動填補裂痕――也就是一種具有「自我修復」（self-heal）能力的材料。那麼從仿生學的角度來看，兼具這兩種特性的薄膜性質就很值得研究了。
 
在團隊苦思如何釐清紅火蟻結筏機制時，沒想到過往累積的研究經驗竟派上用場。藉由實驗室過去研究行走油滴（walking droplet）〔註〕時使用的垂直振動臺，再加上研究生用來鬆弛肌肉疲勞的按摩棒提供的水平振動，剛好可以「嚇唬」（乾燥）培養皿上頭的紅火蟻，檢查這種人為製造的「地震」危機能否激發螞蟻結筏的本能。
 

〔註〕在燒杯中裝入矽油，當振動臺的晃動頻率非常接近法拉第不穩定（Faraday instability）時，雖然矽油表面看起來風平浪靜，但只要用牙籤挑起油滴，就會發現它能在液面上行走，且存活時間約為一整天。由於每次油滴碰到油面會激起漣漪，這個粒子和波動的複合體被發現可以重現許多量子粒子的性質，例如穿隧機率、干涉、量子柵欄。

 
研究結果和我們預期相似，這樣做的確能使紅火蟻形成蟻筏（圖二）；我們也對作為對照組的中華單家蟻（Monomorium chinense）和死亡的紅火蟻進行測試，發現牠們並沒有結筏現象。另外，在振動臺關閉後的幾秒內，我們發現紅火蟻還會繼續聚集，這顯示形成蟻筏的動力具有延遲效果，這種現象無法以表面張力機制來解釋。另一個相關的實驗是將蟻筏轉移到安穩、乾燥的石膏表面，我們發現螞蟻並不會馬上就地解散，而是需要等候大約30秒至1分鐘才會分開。這兩個觀察結果顯示螞蟻似乎受到某種費洛蒙（pheromone）的控制，只要氣味尚存，牠們就會表現出結筏的舉動；反之，等氣味因擴散效應而完全消散後，紅火蟻才能夠「甦醒」，並離開蟻筏。……【更多內容請閱讀科學月刊第656期】