仿生螞蟻(一):螞蟻其實是超級大力士!

 
2017/05/22 歐陽盛芝 | 國立臺灣博物館
歐陽盛菊 | 國立清華大學工業工程與工程管理研究所
賴婉婷 | 國立臺灣博物館研究組     771
 

螞蟻相對於其他動物很小、很輕,卻是昆蟲界中的大力士,由於動物的肌肉強度與表面積的橫切面成正比,體型越小就越強壯,當具有強度優勢的螞蟻舉起或拖拉重物時,肌肉僅需提起一小部分體重,其餘都可用於重物,因而表現出超強力量,曾有紀錄螞蟻能搬運死鳥回巢,故估計牠們至少可舉起自己體重一千倍的重物。

 

螞蟻具有相當複雜的社會行為,與蜜蜂、胡蜂、白蟻等一樣是在生態上佔優勢的「社會性昆蟲」(即同種生物個體間的互動行為表現出社會性結構的昆蟲),會共同築巢群居、育幼、及護幼,呈現由無性階級照顧有性階級與幼期個體的生殖階級和分工,有世代重疊現象,且子代會照顧親代,雖然這類物種比例僅佔1.5%,但其豐度和對生態的影響力卻極大。以螞蟻為例,生殖階級(有性階級)的蟻后、雄蟻僅擔任生殖或短期育幼工作,非生殖階級(無性階級)的工蟻(職蟻和兵蟻)負責育幼、覓食、築巢、禦敵等工作。通常雄蟻是具單套染色體的未受精卵發育而成,具有雙套染色體的受精卵發育為雌性個體,會因費洛蒙刺激、幼蟲營養、溫度、階級間抑制作用、卵的尺寸、蟻后年齡等外在因素影響,成長為蟻后或工蟻。

 

美國史丹佛大學機械工程系克高斯基(Mark Cutkosky)教授領導的研究團隊,因此選擇編織蟻中的黃猄蟻(Oecophylla smaragdina)和切葉蟻中的科納盤腹蟻(Aphaenogaster cockerelli)為仿生對象,並且是專門出力氣搬運重物的職蟻階級,研發能負重、會爬牆,還懂得團隊合作的微型機器人。因為人類的牽引力大致只有體重的5倍,一匹體重700公斤的健壯馬在良好的路面上,也只能拖得動相當於體重5倍的3.5噸貨物,但是黃猄蟻和科納盤腹蟻的體重約3-4.5毫克,卻能輕易把超過體積和重量1,400倍的食物或築巢材料拖入自己的巢中,並能扛起超過自身體重500倍的物體,即使在頭朝下顛倒時,能緊抓住葉片和莖枝。因為螞蟻足末端有稱為黏附足墊的囊狀器官可分泌黏液,足爪會和接觸表面互鎖,運動時能迅速黏附或脫離表面、且控制自如,因而能穩定快速的搬運重物。

 

黃猄蟻分布於亞洲和澳洲,是以肉食為主的雜食性昆蟲,屬於蟻科(Formicidae)編織蟻屬(Oecophylla),又稱為黃絲蟻、黃橘蟻、黃柑蟻、或紅樹蟻。蟻后體長約15-18公釐,與雄蟻均具翅膀,但交尾後即脫落開始繁殖後代,一隻就可建立一到數個巢,每個巢最多可達數萬隻螞蟻;體長約6-7公釐的雄蟻交尾後就離巢死亡。工蟻分兩類,大型稱為兵蟻,體長約9.5-11公釐,負責戰鬥和保衛家園,小型稱為職蟻,體長約7-8公釐,負責覓食和照顧蟻后產下的新成員等雜務。蟻群間個體以費洛蒙溝通和傳遞訊息,以便達成團隊合作。

 

職蟻會在枝葉繁茂的樹上建造複雜精巧的巢,先把身體伸展在樹枝或葉片上,利用身體收縮拉緊枝葉,若距離太遠,就由數隻至數十隻合作,上下連接形成「蟻橋」,再把相鄰的枝葉拉近,其他職蟻以上顎叨著幼蟻穿梭於葉片間,利用幼蟻分泌的絲黏結拉近的葉片或枝條,最後建造完成蟻巢,築巢時間取決於葉片類型和巢的尺寸,通常可在24小時內完成,較大的蟻巢直徑可達68公分。由於這些構成巢的枝葉仍能進行光合作用、供應巢內所需氧氣,吸收巢內產生的二氧化碳廢氣,因此能保持良好的空氣品質。

 

工蟻白天活動,會離巢獵食大綠蝽、吉丁蟲、天牛、銅綠麗金龜、葉甲、綠鱗象鼻蟲、葉蜂等植食性昆蟲或其他食物,搬運回巢當存糧;也會以大顎直接攻擊入侵的哺乳類或其他生物,或從肛門射出蟻酸(甲酸)禦敵,其分泌物可讓被攻擊者傷口酸痛。

 

黃猄蟻與提供棲所的木蘭科(Magnoliaceae)海南木蓮(Manglietia hainanensis)共生,以驅趕植食性害蟲做為回報;也和多種灰蝶科(Lycaenidae)幼蟲共生,包括尖角灰蝶(Anthene emolus)、灰尖角灰蝶(A. lycaenoides)、賽爾尖角灰蝶(A. seltuttus)、森嬈灰蝶(Arhopala centaurus)、馬杜嬈灰蝶(A. madytus)、米卡嬈灰蝶(A. micale)、牧草旖灰蝶(Hypolycaena phorbas)、熱帶娜波灰蝶(Nacaduba berenice)等,這些蝴蝶幼蟲分泌蜜露給螞蟻食用,螞蟻則提供住所、照料和保護。

 

切葉蟻一般是指蟻科美洲切葉蟻屬(Atta spp.)的螞蟻,分布於中南美洲亞馬遜雨林,以擅於切割植物葉片得名,會將切下的葉片搬進蟻巢後,弄碎成黏糊狀的葉糊醱酵,當作營養基培養真菌,成為食物來源,因此又稱為蘑菇蟻。工蟻攜帶葉片採團隊合作,搬運隊伍可長達30公尺,甚至可將250公尺以外的葉片運到巢穴,速度達每分鐘180公尺,相當於人類以每分鐘12公里速度背著220公斤重物飛奔。

 

屬於切葉蟻亞科(Myrmicinae)的科納盤腹蟻,分布於美國西南部和墨西哥的沙漠地區,典型棲地為海拔518-1,877公尺的高原。本種是以肉食為主的雜食性昆蟲,除了昆蟲屍體外,也吃種子或植物的其他部分。牠們在地下築巢,形成一個或多個入口的大型群聚,蟻后會以杜福爾腺(Dufour’s gland)分泌一種化學物質,標記巢中可能生殖的工蟻,讓其他工蟻攻擊被標記的螞蟻,以確保僅由其主導控制蟻群、和執行繁衍後代的任務。新成熟的蟻后與雄蟻都有翅膀,每年七月的黃昏時進行婚飛交尾後返回地面,翅膀脫落,再另找地點築新巢。

 

工蟻通常在地面溫度約20-40℃的清晨和夜晚離巢覓食,冬天則改為全天活動。若獵物太大,會釋放費洛蒙招募其他工蟻前來協助,或是回到巢中找幫手回去共同搬運。在奇瓦瓦(Chihuahuan)沙漠,科納盤腹蟻大清早會用粗砂和小石頭堵塞附近與其競爭資源的紅收穫蟻(Pogonomyrmex barbatus)巢的出入口,有效延遲對方工蟻出來覓食的時間,而有機會收集到較多食物。比較特殊的是工蟻不會將覓得的食物飼養蟻后或新生幼蟻,而是產下營養的卵當成食物供應。

 

俄亥俄州立大學(The Ohio State University)機械暨航太工程系卡斯特羅(Carlos Castro)助理教授研究螞蟻負重方式,是經口器舉起,把力量通過頸關節傳遞到胸部,並分布到6隻足和錨定在接觸表面支撐的跗節。研究團隊將蟻科的狹頭山蟻(Formice exsectoides)麻醉後,把蟻頭黏在光碟上、腹部朝外,以離心機旋轉光碟施力,測試結果其頸關節承受力為自身體重5,000倍,經分析獲知當負載路徑與頸部軸線對齊時可達最高剛性(stiffness),其頸關節結構表現出異向性(anisotropic)的機械行為。不過對這項實驗結果仍有不同看法,德國弗萊堡大學(University College Freiburg)的生物學家莫爾(Karin Moll)博士認為螞蟻的實際荷重較此實驗所得小;英國格拉斯哥大學(University of Glasgow)醫學院的恩德林(Thomas Endlein)博士則認為提升負重必須考慮肌肉力量、結構剛性、和平衡,螞蟻的肌肉力量絕對沒問題,但從地面舉起重物和開始行走時,螞蟻的黏性足墊得保持平衡才能避免摔倒,因此頸關節承受力不等於螞蟻能舉起或拖拉的真正重量。無論如何,相較於人類或其他動物,螞蟻其實是迷你版的超級大力士!

 

(以上新聞編譯自2014年2月20日發行之Inside Science雜誌等)

 

(本文由科技部補助「向大自然借鏡:生物行為的科學解密」執行團隊撰稿)

 

責任編輯:歐陽盛芝/國立臺灣博物館

審校:歐陽盛芝/國立臺灣博物館

 
 
  • 來源:
     
    • Gammon, K. 2014. Ants are even stronger than you imagine. Inside Science / News, February 20, 2014.
    • 林宗岐(2007)世間的精靈-昆蟲:社會性昆蟲,科學發展月刊。
    • Nguyen, V., B. Lilly, and C. Castro. 2014. The exoskeletal structure and tensile loading behavior of an ant neck joint. Journal of Biomechanics, 47(2): 497-504.
     
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  • 延伸閱讀:
     
    • Bradshaw, J. W. S., R. Baker, and P. E. Howse. 1979. Chemical composition of the poison apparatus secretions of the African weaver ant, Oecophylla longinoda, and their role in behaviour. Physiological Entomology, 4(1): 39-46.
    • Hadley, D. 2016. How can ants lift objects 50 times their body weight?. Insects About, 2016/12/17.
     
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