原创 集智编辑部 2025-01-23 20:58 北京
比较蚂蚁与人类在合作解决几何谜题上的能力
关键词：群体智能，群体规模，集群记忆
论文题目：Comparing cooperative geometric puzzle solving in ants versus humans
论文地址：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2414274121
期刊名称：PNAS
在群体智能的研究中，生物群体如何协作解决复杂问题一直是研究者们感兴趣的课题。近期发表在PNAS上的一项研究，对比了人类和蚂蚁在解决几何谜题上的表现，揭示了群体智能的不同策略和限制。这项研究使用一种“搬钢琴”谜题，考察两种完全不同的社会生物如何在个体和群体层面处理复杂问题。
“搬钢琴”谜题要求参与者将一个复杂的T型物体从一个狭窄且充满障碍的迷宫中移动到目标位置。研究者调整了谜题的尺寸，使其适合蚂蚁（Paratrechina longicornis）和人类个体及群体完成。蚂蚁组设置单只蚂蚁、小群体（约7只蚂蚁）和大群体（约80只蚂蚁）三种规模条件；人类组设置单人、小组（6-9人）和大组（16-26人）三种规模，以及两种沟通条件（允许自由沟通和限制沟通）。通过这些条件的设置，研究者可以直接对比人类和蚂蚁的表现，还可以探讨群体规模和沟通对解决问题能力的影响。
图1. “搬钢琴”谜题。(a)-(b) 蚂蚁和人类解题过程示意图。(c) 解题过程中可能的状态和路径，其中绿色箭头对应的是谜题最优解。(d) 三维构型空间示意图，颜色与(c)对应。
研究发现以下结论：
1. 群体规模的影响：对蚂蚁而言，群体规模越大，表现越好。大群体蚂蚁表现出高效的“滑墙行为”，能够持续扫描迷宫边界并找到最佳路径。对人类而言，群体规模并未显著提升表现，尤其在沟通受限的情况下，大群体的表现甚至不如个体。
2. 集体记忆与协调：对蚂蚁而言，尽管单只蚂蚁无法理解谜题的全局结构，但大群体中的相互作用会产生短期的集体记忆，指导搬运的方向。对人类而言，由于个体具备更复杂的认知能力，人类更倾向于通过减少解空间来直接解决问题。然而，沟通不畅时，群体表现会因缺乏一致性而退化。
3. 限制沟通对表现的影响：沟通受限的人类群体表现出类似蚂蚁的“贪婪选择”行为，即倾向于快速做出直观但次优的决策；当允许沟通时，人类群体通过讨论可以避免次优路径，表现更接近个体的最佳水平。
4. 跨物种比较的启示：大群体蚂蚁的“滑墙”启发式行为展示了简单规则如何通过规模效应实现高效合作。人类尽管个体能力更强，但复杂的沟通需求可能阻碍了高效协作，特别是在信息共享受限的情况下。
这项研究为理解群体智能提供了新的视角，蚂蚁通过简单规则和规模效应弥补了个体认知的局限，而人类则需要依赖复杂的认知和沟通机制来协调行动。研究结果不仅揭示了两种社会生物在合作策略上的差异，还对如何设计更高效的人工智能群体和机器人系统提供了重要启发。
图2. 不同解谜者的表现。(a) 人类和蚂蚁（实验与模拟）在尝试路径长度上的成功解题累计分布函数。(b) 单人、组内允许沟通和限制沟通的人类在尝试状态转换次数上的成功解题累计分布函数。
图3. 蚂蚁解谜者的运动特性与启发式策略。
图4. 人类解谜者的运动特性与启发式策略。
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