探索蟹驱动细胞自动机：从实验到现象洞察

# 探索蟹驱动细胞自动机：从实验到现象洞察 ## 1. 引言 非常规计算是一个创新研究领域，拓展了传统计算概念并具有广泛应用。其中，生物与计算密不可分，利用生物作为计算设备的尝试日益增多。细胞自动机（CA）是具有计算潜力的人工系统，也是非常规计算研究领域之一，历史上常用于研究生物系统，通过人造世界中类生命现象的出现，为深入理解现实生活提供重要方法。然而，目前尚未有利用生物实现细胞自动机的实例。 生物的适应性过程是一个有趣的特性，从生物进化角度来看，有两个方面：一是在一定程度上导致优化行为的适应；二是提供尚未实现的多样行为的适应性。以自然界中动物行为观察为例，在特定环境中已实现的行为可视为适应的结果，但难以找到未实现行为作为适应性的证据。因此，在特殊环境中研究动物行为是一种有效方法。例如，Moriyama（1999）让球潮虫通过200个T形迷宫路口，球潮虫遇到障碍时会交替转向，这是一种适应性行为，但多个T形迷宫路口使这种交替转向行为失效，实验中发现了球潮虫自主的行为变化，这表明自主行为变化可能揭示了适应性所提供的隐藏行为。 日本琉球群岛潮间河口的士兵蟹，在白天退潮时大量出现在平坦表面活动，遇到威胁时会以螺旋式挖掘方式埋入湿沙。这种埋沙行为似乎是一种适应性逃避威胁的方式，但埋沙行为背后的过程并不清楚，可能存在多种变化。为了识别士兵蟹埋沙行为失效的特殊情况，需要创造一种允许挖掘但阻止隐藏的环境，于是提出了“空中地面”的概念，即蟹持续挖掘时会不断穿过新的地面。 ## 2. 使蟹埋沙行为失效的土壤填充模板 ### 2.1 材料选择 为实现士兵蟹无法隐藏但能挖掘沙面的实验环境，需要将湿沙表面置于空中。初步研究发现，日本捞金鱼游戏常用的一种纸很有用，这种纸遇水易破。实验用的沙取自潮滩，含有海水。将湿沙放在纸上，纸能留住湿沙但变得脆弱，士兵蟹能在沙面上以螺旋式挖掘，用胸足轻易撕开纸并穿过沙和纸。 ### 2.2 模板制作 使用聚乳酸打印实验模板，具体尺寸如下： | 部件 | 尺寸 | | ---- | ---- | | 基底 | 边长96mm，高12mm的正方形 | | 四角支柱 | 边长5mm，高25mm的正方形 | 在模板基底中心开一个直径92mm的孔，孔的最低部分形成一个宽5mm、高2mm的圆形凸缘，用于支撑圆形塑料框架。该框架由一对环组合而成，用于夹住纸，框架和纸在模板孔中起到底盖的作用。孔中填充湿沙，形成土壤填充模板。 ### 2.3 模板特点与组装 土壤填充模板在蟹螺旋式挖掘时会被破坏，严格来说，蟹在挖掘湿沙层时会撕开纸盖。而且，只要更换纸和沙，模板可多次使用。模板可以像积木玩具一样组装： - **垂直组装**：一个模板垂直放在另一个模板上，由于下部模板的四角支柱支撑，上下模板间的空间高度为25mm。初步实验发现，蟹不会从沙底掉落，这个距离既短到蟹能落在下层表面，又长到蟹能在下层表面行走而不受上层底部阻碍。 - **水平组装**：模板水平排列，蟹可以在模板间横向移动。在由垂直和/或水平排列模板组成的装置中，蟹会落在新地面而非埋入地面。 ## 3. 实验一 ### 3.1 材料与方法 #### 3.1.1 实验对象 使用日本西表岛船浦湾潮滩上出现的成熟士兵蟹。在2017年8月17 - 19日白天退潮前一小时，在潮滩捕获足够数量的蟹，放入装有海水的塑料容器中，立即带到琉球大学热带生物圈研究中心西表岛站实验室。实验用沙取自蟹捕获地。 #### 3.1.2 实验装置 装置由18个土壤填充模板以3（垂直）× 6（水平）的方式组装而成，即五层，每层有三个湿沙层。最下层模板作为装置基