你聽(tīng)說(shuō)過(guò)「通用螞蟻智能」嗎？今天，全網(wǎng)爆火一個(gè)視頻充分展示了什么是 AGI—— 螞蟻群體智能的智慧。在解決鋼琴搬運(yùn)難題任務(wù)中，它們甚至超越了人類，最新研究登上 PNAS。
所謂 AGI，難道是「通用螞蟻智能」，亦或是「螞蟻通用智能」？
今天，無(wú)數(shù)只螞蟻在搬運(yùn) T 形物體，成功穿越迷宮的視頻火遍全網(wǎng)。
網(wǎng)友紛紛驚呼，「這簡(jiǎn)直太瘋狂了。螞蟻擅長(zhǎng)集體解決難題，在某些情況下甚至比人類更聰明！這或許能夠?yàn)?AI 和團(tuán)隊(duì)協(xié)作提供新的啟發(fā)」。
還有人表示，AI 其實(shí)也就是螞蟻智能了。
相比之下，人類引以為豪的「群體智能」似乎并沒(méi)有顯現(xiàn)出來(lái)。
來(lái)自魏茨曼科學(xué)研究所的研究團(tuán)隊(duì)開啟了這項(xiàng)極具創(chuàng)意的「進(jìn)化」競(jìng)賽實(shí)驗(yàn)，就是為了回答一個(gè)有趣的問(wèn)題：
在搬運(yùn)重物穿越迷宮任務(wù)中，到底是螞蟻更厲害，還是人類更勝一籌？
論文地址：https://www.pnas.org/ doi / 10.1073 / pnas.2414274121
他們以經(jīng)典的「鋼琴搬運(yùn)難題」（piano movers puzzle）為靈感，設(shè)計(jì)了一個(gè)現(xiàn)實(shí)版的實(shí)驗(yàn)。
參與者需要將一個(gè) T 形物體從起點(diǎn)移到終點(diǎn)，途中需要穿過(guò)由兩個(gè)狹窄通道連接的三個(gè)房間。
為了確保公平，研究團(tuán)隊(duì)制作了兩套尺寸不同的迷宮，分別適配螞蟻和人類的體型。
在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，人類團(tuán)隊(duì)被要求不能通過(guò)說(shuō)話、手勢(shì)交流，甚至被要求戴上口罩和墨鏡遮擋住面部表情。
結(jié)果表明，螞蟻不僅在團(tuán)隊(duì)中表現(xiàn)優(yōu)于個(gè)體，在某些情況下超越了人類團(tuán)隊(duì)。
值得一提的是，最新研究已經(jīng)發(fā)表在 PNAS 期刊上。
Ofer Feinerman 教授表示，螞蟻群體展現(xiàn)出協(xié)同計(jì)算和戰(zhàn)略思維能力，還擁有集體記憶，因此幫助它們共同堅(jiān)持特定運(yùn)動(dòng)方向，避免了錯(cuò)誤。
Tabea Dreyer 和 Ofer Feinerman 教授
那么，螞蟻們是如何協(xié)作完成這個(gè)難題的呢？
群體智慧
你有沒(méi)有想過(guò)，為什么螞蟻總能找到搬運(yùn)食物最佳路徑？為什么鳥群能夠完美協(xié)調(diào)飛行？
這一切，都與「集體認(rèn)知」有關(guān)。群居生活為它們帶去了有很多優(yōu)勢(shì)。
這也是自然界普遍存在的現(xiàn)象：群體可以感知環(huán)境、整合信息，并做出響應(yīng)，有時(shí)甚至超越個(gè)體能力的極限。
在自然界中，能夠進(jìn)行如此大規(guī)模合作運(yùn)輸?shù)奈锓N極其罕見(jiàn)。
目前已知物種中，除了人類之外，只有約 40% 螞蟻群體具備這種能力。
這位科學(xué)家們提供了一個(gè)絕佳的研究機(jī)會(huì)。
如前所述，「鋼琴搬運(yùn)難題」是團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的原型。這是一個(gè)操縱實(shí)驗(yàn)，是計(jì)算機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)經(jīng)典計(jì)算問(wèn)題。
在復(fù)雜環(huán)境中，參與者需要將一個(gè)形狀不規(guī)則的物體（比如鋼琴）從 A 點(diǎn)移動(dòng)到 B 點(diǎn)的可能方式。
由于這個(gè)難題純粹是幾何問(wèn)題，在尺寸上完全可以進(jìn)行縮放 —— 可以小到一只螞蟻就能處理，也可以大到需要整個(gè)螞蟻群合作。
論文中，團(tuán)隊(duì)選用了長(zhǎng)角立毛蟻（Paratrechina longicornis）作為參賽選手，體長(zhǎng)約 3 毫米，因其長(zhǎng)長(zhǎng)的觸角得名，有時(shí)也被稱為「瘋螞蟻」。
一個(gè)謎題，多種解法
在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，研究者設(shè)計(jì)了一個(gè)鋼琴搬運(yùn)難題。
螞蟻們需要在一個(gè)由三個(gè)房間組成的矩形區(qū)域內(nèi)，搬運(yùn)一個(gè) T 形物體。
而這些房間中的每一個(gè)，都是由兩個(gè)窄縫連接的。
螞蟻們想要完成任務(wù)，就必須把 T 形物體從最左側(cè)房間的初始位置（圖 1C 中的 a），穿過(guò)第二個(gè)房間，到達(dá)與外界相通的第三個(gè)房間（圖 1C 中的 h）。
這個(gè)謎題的最優(yōu)解，就是不花費(fèi)任何冗余的不必要步驟，操作順序如圖 1C 中綠色箭頭所示。
在實(shí)驗(yàn)中，研究者依次向人類和螞蟻展示這個(gè)謎題的兩個(gè)版本。
版本 A 是為螞蟻定制的，T 形物體被制作成了食物的形狀，激勵(lì)螞蟻將它搬運(yùn)到第三個(gè)房間。
版本 B 則是為人類定制。
這個(gè)謎題的設(shè)計(jì)，對(duì)兩個(gè)物種都是不小的挑戰(zhàn)。
對(duì)人類來(lái)說(shuō)，挑戰(zhàn)在于為了區(qū)分可行移動(dòng)和死胡同，必須進(jìn)行精確的長(zhǎng)度評(píng)估、心理旋轉(zhuǎn)和對(duì)稱理解。
而對(duì)螞蟻來(lái)說(shuō)，因?yàn)樗鼈兪腔谛畔⑺剡M(jìn)行通信的，這種方式既不會(huì)考慮物體大小和門尺寸的關(guān)系，也不會(huì)考慮物體的旋轉(zhuǎn)情況，這就是使它們的集體導(dǎo)航策略變得毫無(wú)用處。
接下來(lái)，實(shí)驗(yàn)分為了三種組合去完成迷宮挑戰(zhàn)：
螞蟻：?jiǎn)沃弧? 只小組、80 只大組
人類：?jiǎn)稳恕?-9 人小組、26 人大組
人類參與者被要求，只能模擬螞蟻?zhàn)コ址绞降陌咽謥?lái)搬運(yùn)物體。而且，把手上裝有測(cè)量器，記錄每個(gè)人在整個(gè)過(guò)程中施加的拉力。
研究人員對(duì)每種組合進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，然后仔細(xì)分析視頻和所有高級(jí)跟蹤數(shù)據(jù)，同時(shí)使用計(jì)算機(jī)模擬和各種物理模型。
表現(xiàn)如何？
為了分別評(píng)估螞蟻和人類的表現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度，去解釋這一問(wèn)題。
螞蟻和人類嘗試的運(yùn)動(dòng)學(xué)，可以通過(guò)負(fù)載構(gòu)型（load’s configuration）r (t) 的時(shí)間演變來(lái)描述。這涉及了三個(gè)自由度
，其中，x (t) 、y (t) 是負(fù)載質(zhì)心的空間坐標(biāo)，它與負(fù)載周邊到質(zhì)心的平均距離 θ(t) 相乘。
方向是一個(gè)周期性坐標(biāo)，它與負(fù)載周邊到質(zhì)心的平均距離 r_av 相乘時(shí)，r_avθ(t) 實(shí)際上就測(cè)量了附著在搬運(yùn)者在負(fù)載旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的平均行走距離。
為了實(shí)現(xiàn)不同尺寸解決方案可比較性，團(tuán)隊(duì)作者采用了第二個(gè)房間寬度 d_cor 對(duì)構(gòu)型 r (t) 歸一化。
謎題的「構(gòu)型空間」，即所有幾何上允許的負(fù)載構(gòu)型的集合，如圖 D 所示。
圖中，底部黑色軌跡所示，任何解決方案嘗試的動(dòng)態(tài)都可以理解為這個(gè)空間中的連續(xù)軌跡。
為了分析解決方案軌跡，作者進(jìn)一步將構(gòu)型空間分割成更小的體積，對(duì)應(yīng)于上圖 C 中描述的「狀態(tài)」。
整體表現(xiàn)
作為衡量每個(gè)解決者表現(xiàn)的整體指標(biāo)，他們還繪制了在給定構(gòu)型空間歸一化路徑長(zhǎng)度內(nèi)（圖 2A，適用于螞蟻和人類）以及在給定嘗試狀態(tài)轉(zhuǎn)換次數(shù)內(nèi)（圖 2B，適用于人類）成功解決的嘗試百分比。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)，平均而言，人類解決者的表現(xiàn)優(yōu)于螞蟻解決者（圖 2A）。
當(dāng)然，實(shí)驗(yàn)中存在性能分布重疊的區(qū)域，最優(yōu)秀的螞蟻解決者能夠超越表現(xiàn)最差的人類解決者。
螞蟻群體規(guī)模效應(yīng)
另外，大型螞蟻群體顯著優(yōu)于單只螞蟻和小群體。
單只螞蟻雖然能夠通過(guò)連續(xù)操作完成任務(wù)，但表現(xiàn)明顯低于群體。
為了理解為什么大型螞蟻群體的表現(xiàn)優(yōu)于小群體，首先需要關(guān)注它們?cè)谥i題場(chǎng)地狹窄空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征。
當(dāng)由大群體螞蟻搬運(yùn)的大型負(fù)載與邊界發(fā)生碰撞時(shí)，它不會(huì)停止或后退，由下圖 A 所示。
相反，其運(yùn)動(dòng)方向和速度的變化很小，并且會(huì)持續(xù)沿著邊界滑行較長(zhǎng)距離（圖 C）。
相比之下，當(dāng)由小群體螞蟻搬運(yùn)的小型負(fù)載與邊界碰撞時(shí)，往往會(huì)損失大量速度（圖 B），當(dāng)恢復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，負(fù)載經(jīng)常會(huì)采取與原來(lái)不同的方向。
大群體和小群體之間的這些差異與之前的研究結(jié)果一致，該研究表明較大螞蟻群體的方向改變需要不成比例的更大擾動(dòng)。
一只螞蟻整整盤旋了一分鐘，也沒(méi)有成功將 T 形重物移出迷宮（加速 10 倍）。
對(duì)于一小群螞蟻，通過(guò)協(xié)作終于將其成功搬出（加速 10 倍）。
那么，對(duì)于群體來(lái)說(shuō)，正如開篇所看到的輕而易舉完成了任務(wù)。
如下這兩個(gè)模擬動(dòng)畫展示了一小群螞蟻、一大群螞蟻在解決難題的過(guò)程（分別加速 18 倍和 10 倍）。
人類群體協(xié)作
在受限通信條件下，通過(guò)力像螞蟻一樣交流，人類群體并沒(méi)有展現(xiàn)出強(qiáng)大得規(guī)模優(yōu)勢(shì)。
相反，他們出現(xiàn)了群體表現(xiàn)劣于個(gè)人的現(xiàn)象。
有趣的是，在允許交流情況下，人類群體表現(xiàn)效果得到了扭轉(zhuǎn)。
一個(gè)人解決難題的過(guò)程（加速 10 倍）。
這是一群人解決難題的過(guò)程（加速 10 倍）。
螞蟻 VS 人類，集體記憶涌現(xiàn)的奇跡
大型蟻群表現(xiàn)出一種涌現(xiàn)的持久性，這擴(kuò)展了它們的認(rèn)知工具箱，包含短期記憶 —— 認(rèn)知的基礎(chǔ)構(gòu)件之一。
當(dāng)前運(yùn)動(dòng)方向的記憶，被暫時(shí)儲(chǔ)存在運(yùn)輸螞蟻的集體有序狀態(tài)中。
因此，「集體記憶」是一種涌現(xiàn)特性，而非個(gè)體特質(zhì)。
涌現(xiàn)記憶使螞蟻群體能夠進(jìn)行近乎確定性的、持續(xù)的墻壁掃描，這可能促使它們?cè)谒阉骺臻g中找到最短路徑。
這種涌現(xiàn)的邊界跟隨啟發(fā)式方法使得大型螞蟻群體顯著優(yōu)于小型群體及單個(gè)螞蟻。
記憶、有方向的運(yùn)動(dòng)、系統(tǒng)搜索以及啟發(fā)式方法的應(yīng)用，都是人類解題者的典型特征。
因此，認(rèn)知工具箱的擴(kuò)展使大型蟻群能夠以類似人類解題者的方式應(yīng)對(duì)難題。
與螞蟻不同，人類能夠以個(gè)體形式成功解決難題，但群體化卻增加了障礙，因?yàn)楦咝н\(yùn)動(dòng)需要達(dá)成共識(shí)。
在人類的溝通群體中，成員花費(fèi)大量時(shí)間討論并決定下一步行動(dòng)，因此表現(xiàn)與個(gè)體相似。
當(dāng)溝通受到限制時(shí)，人類完全用一種更快的社會(huì)組合啟發(fā)式方法取代了社會(huì)溝通中的辯論啟發(fā)式。
在這種情況下，他們往往會(huì)采取與經(jīng)過(guò)深思熟慮的意見(jiàn)不同的行動(dòng)，并趨向于選擇最低共識(shí)。
一旦任務(wù)開始移動(dòng)，受限溝通群體中的人類僅將拉力與其運(yùn)動(dòng)方向?qū)R。這種對(duì)個(gè)體認(rèn)知能力的放棄，再次讓人聯(lián)想到螞蟻的集體行為。
因此，在解決受限溝通情況下的難題時(shí)，大型人群通過(guò)采用一些螞蟻般的特性表現(xiàn)出的協(xié)作能力下降。這種結(jié)果，卻在在允許溝通情況下得以解除。
通過(guò)比較極端案例，動(dòng)物群體的集體問(wèn)題解決能力可以獲得更全面的理解：人類以個(gè)體認(rèn)知能力為突出特點(diǎn)，而螞蟻則在合作方面表現(xiàn)卓越。
人類在選擇認(rèn)知工具時(shí)更加靈活，并且可以精細(xì)地調(diào)整其問(wèn)題解決策略以適應(yīng)特定任務(wù)。盡管這種靈活性可以提升個(gè)體表現(xiàn)，但不可避免地會(huì)導(dǎo)致人際差異，這可能需要更高級(jí)的溝通以避免集體表現(xiàn)惡化并實(shí)現(xiàn)高效合作。
這些螞蟻與人類之間的差異揭示了兩種進(jìn)化路徑，它們?cè)趥€(gè)體與集體層面的認(rèn)知能力分配方式上有所不同。
通過(guò)對(duì)比，研究帶了深刻的啟示：需要理論研究來(lái)確定個(gè)體尺度的復(fù)雜性與群體層面合作容易性之間的權(quán)衡?？缦到y(tǒng)發(fā)育樹的比較研究可以用來(lái)探索這一權(quán)衡的經(jīng)驗(yàn)例子。
此外，這項(xiàng)研究還對(duì)機(jī)器人群體設(shè)計(jì)，具有重要參考價(jià)值。
或許在某些方面，人類還需要向自然界物種們學(xué)習(xí)，特別是在真正團(tuán)隊(duì)合作方面。
畢竟，有時(shí)候，最偉大的智慧可能來(lái)自最微小的生命。
參考資料：
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2414274121
https://wis-wander.weizmann.ac.il/space-physics/ants-vs-humans-putting-group-smarts-test
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