合并、扭曲和五边形：蜂窝结构

蜜蜂管理着一些令人印象深刻的壮举。他们不仅记住良好食物来源的位置，而且能够将这些信息传达给他们的同龄人。他们还照顾蜂巢的幼崽并组织对入侵者的攻击。他们也是杰出的建设者。蜂巢中的几乎每个蜂窝都是完美的六边形，每边的长度相同。尽管蜜蜂必须为工人和无人机建造不同大小的六边形，并且它们经常合并从蜂巢的相对墙壁开始的蜂窝。他们如何管理这些复杂性？一篇新论文使用自动图像分析系统来识别蜜蜂管理这些转变的不同方式。制作该系统的研究人员发现，蜜蜂会提前看到问题，并开始进行较小的调整，最终有助于避免需要进行较大的更改。所讨论的蜜蜂是蜜蜂，尽管许多其他物种会产生六边形结构。早在公元 5 世纪就注意到蜜蜂六边形阵列的规律性，最近的测量表明它们中的大多数之间几乎没有变化：六边形的每一边的长度通常非常接近其他边。尽管存在许多重大挑战，但这种情况还是会发生。首先，每个蜂窝的构造都有多个工人参与，因此不能仅用单个工人进行一系列本能运动来解释规律性。此外，巢需要两个不同大小的蜂窝，因为它们使用不同大小的工蜂（大多数巢）和雄蜂（雄蜂用于繁殖）。最后，蜂窝通常作为多个单元建造，从蜂巢的不同区域开始，最终在中间某处相遇。为了找出所有这些问题是如何处理的，动物行为专家（奥本的迈克尔史密斯）与康奈尔大学的两位计算机科学家 Nils Napp 和 Kirstin Petersen 一起工作，他们从事昆虫类机器人的研究。结合起来，他们将可以识别每个细胞边界的图像分析软件放在一起，并计算出细胞的基本统计数据——边数、每边的长度等。然后可以根据它们是否是细胞进行分类。适合工人或无人机的大小，或者细胞是否有异常之处。给定梳子中的大多数细胞用于最需要的后代。这意味着通常较小的工人。但在开始为无人机建造单元之前，工人们将开始建造稍大的单元，从而实现尺寸的平稳过渡。这种转变只需要几个细胞来管理，它覆盖的区域比工人的腿还小。

管理不同蜂窝的合并更具挑战性。这是最终需要具有异常数量的边的单元格的时候。图像识别系统识别出具有四到九层壁的细胞，而不是典型的六边形。这些是罕见的，占蜂窝中所有细胞的不到 5%。但它们往往出现在梳子的边缘或两个梳子合并的离散条纹中。即使不可能制作一个六边形的细胞，蜜蜂也试图尽可能靠近，因为 93% 的怪异是五边形或七边形。通常，两者是配对的。具有五边和七边的单元格之间的边界比两个五边单元格或两个七边单元格的配对更频繁。需要这些奇数边蜂窝的一个主要原因是蜜蜂将通过制作不同方向的蜂窝在不同的地点开始建造。因此，随着这些不同的片段彼此相遇，它们的六边形阵列将以不兼容的角度定向。角度越大，需要使用的非六边形单元就越频繁。在最极端的情况下，沿着蜂窝状合并线的一半以上的单元格具有除六边以外的其他东西。但是蜜蜂设法看到了问题的来临，它们在不同的蜂巢相遇之前就开始扭曲六边形。他们写道：“在合并蜂巢时，蜜蜂有效地将六角形细胞‘滚’到了缝隙中。” “如果倾斜度差异很小，这些滚动细胞可以保持它们的六边形形状，但是当倾斜度差异很大时，蜜蜂会使用非六边形形状来合并蜂巢。”请记住，所有这些都是在管理两种不同大小的单元的复杂性之上进行的。对作者而言，所有这些都表明构建梳子的过程并非纯粹是本能的。必须有他们所谓的“认知过程”参与构建。蜜蜂的大脑与我们所了解的任何事物相去甚远（我们熟悉的最接近的物种可能是果蝇）。这使得弄清楚这些过程可能看起来像一个挑战。