受限环境中蚂蚁运动时的攀爬、跌落与卡滞

运动产生于个体与环境的有效相互作用。生物陆地运动的原理已在非受限的垂直和水平基底上被发现。然而，多种生物在受限空间内构建巢穴、栖息并移动。此类动物面临运动挑战，包括肢体活动范围受限、拥挤以及视觉感官剥夺。关于这些生物如何完成其运动任务知之甚少，且此类环境对人类制造的设备构成了挑战。为了更深入地了解动物如何在受限空间内移动，我们研究了火蚁 (Solenopsis invicta) 的受限运动，该物种构建地下隧道网络（巢穴）。实验室实验表明，蚂蚁构建的隧道直径 $D$ 与体长 $L=3.5 \pm 0.5$ mm 相当。蚂蚁能在这些环境中快速移动（> 9 倍体长/秒）；其隧道允许肢体、身体和触角与墙壁进行有效相互作用，从而在上升和下降攀爬期间促进快速的滑移恢复。为了检验人工隧道中滑移恢复的极限，我们进行了由隧道快速向下加速度组成的扰动实验，从而诱发跌落。低于临界隧道直径 $D_s = 1.31 \pm 0.02$ $L$ 时，跌落总是通过附肢和触角与隧道壁的快速相互作用而停止，从而卡滞跌落过程。$D_s$ 与初始巢穴隧道的尺寸 ($D = 1.06 \pm 0.23$ $L$) 相当，这支持了我们的假设：火蚁构建的环境简化了其在巢穴中移动时的控制任务，可能无需神经系统的快速干预。