火蟻組成筏子在洪水中生存。圖片來源:羅伯特·瓦格納

火蟻組成木筏在洪水中生存，但這些木筏是如何工作的呢?我們能從中學到什麽?賓厄姆頓大學和紐約州立大學的一位教授正在研究這些問題，以擴大我們對材料科學的了解。

當洪水襲擊火蟻居住的地區時，它們的生存反應是聚集在一起，形成一個浮力的“筏子”，漂浮在水面上，保持蟻群的團結。把它想象成一種濃縮的適應性材料，其中的積木——個體螞蟻——實際上是活的。

賓厄姆頓大學助理教授Rob Wagner領導了一項研究，作爲科羅拉多大學博爾德分校Vernerey軟物質力學實驗室的一部分，研究人員調查了這些活筏的適應性反應。目標是了解它們如何自主變形和改變其機械性能，然後將最簡單和最有用的發現納入人工材料中。

他說:“生命系統一直讓我著迷，因爲它們實現了我們目前的工程材料無法做到的事情——甚至無法接近。”“我們生産散裝聚合物系統、金屬和陶瓷，但它們是被動的。這些成分不像每個生命系統那樣儲存能量，然後將其轉化爲機械功。”

瓦格納認爲，這種能量的儲存和轉換對于模仿生命系統的智能和適應性行爲至關重要。

在他們最近發表在《美國國家科學院院刊》上的論文中，瓦格納和他在科羅拉多大學的合著者研究了火蟻筏在拉伸時對機械負荷的反應，並將這些筏與動態的、自我修複的聚合物的反應進行了比較。

瓦格納說:“許多聚合物是通過斷裂的動態鍵結合在一起的，但它們可以重新形成。”“當拉得足夠慢時，這些鍵有時間重組材料，而不是斷裂，它就像我們孩子玩的黏液或軟冰淇淋一樣流動。”但如果拉得很快，它就會像粉筆一樣折斷。由于木筏是由螞蟻彼此粘在一起的，它們的紐帶可以斷裂和重組。所以，我和我的同事們認爲他們也會這麽做。”

但瓦格納和他的合作者發現，不管他們以多快的速度拉動螞蟻筏，它們的機械反應幾乎是一樣的，它們從不流動。瓦格納推測，當螞蟻感受到壓力時，它們會條件反射性地收緊並延長它們的抓住點，因爲它們想要呆在一起。它們要麽降低或關閉它們的動態行爲。

當施加力時，這種鍵會變得更強的現象被稱爲捕獲鍵行爲，它可能會增強群體的凝聚力，這對生存是有意義的。

“當你用一定的力量拉動典型的化學鍵時，它們會更快地松開，它們的壽命也會縮短——你在拉動它，從而削弱了化學鍵。”這是你在幾乎所有被動系統中看到的，”瓦格納說。

“但在生命系統中，由于它們的複雜性，有時你可以在一定範圍的施加力下保持更長的時間。有些蛋白質是機械地、自動地做到這一點的，但這並不是蛋白質在做決定。它們只是以這樣一種方式排列，當施加一個力時，它就會顯示出這些鎖住或‘抓住’的結合位點。”

Wagner認爲，在工程系統中模擬這些捕獲鍵可以使人造材料在機械應力較高的區域表現出自主的、局部的自我強化。這可以延長生物醫學植入物、粘合劑、纖維複合材料、軟機器人組件和許多其他系統的使用壽命。

像火蟻筏這樣的集體昆蟲聚集已經激發了研究人員開發具有刺激響應機械性能和行爲的材料。今年早些時候在《自然材料》上發表的一篇論文展示了由特殊凝膠或稱爲液晶彈性體的材料制成的絲帶如何在加熱時卷曲，然後相互纏繞，形成凝聚的固體狀結構，這種結構的靈感來自于這些螞蟻。這篇論文由德克薩斯A&M的韋爾反應生物材料實驗室領導，Wagner和他的前論文導師Franck J. vernerey教授貢獻

瓦格納說:“這項工作的一個自然進展是回答我們如何讓這些條帶或其他軟構件之間的相互作用像火蟻和一些生物分子相互作用一樣‘捕捉’負載。”