（來源：MIT Technology Review）
古生物學(xué)家不會輕易被進(jìn)化的 “死胡同” 或是稀少的化石記錄所難倒。在過去幾年里，他們研發(fā)出了一種全新的研究手段：制作史前動物的實(shí)驗機(jī)器人模型，以實(shí)現(xiàn) “時光倒流”進(jìn)而深入探究史前動物。
科學(xué)家們表示，在沒有活體樣本的情況下，一個能夠行走、飛行、游泳或蠕動的機(jī)器人，是研究已滅絕生物行為的最佳替代選擇。對這些生物的運(yùn)動方式了解得越多，就越能揭示它們生活的方方面面，比如歷史分布范圍和覓食習(xí)性。
數(shù)字模型在預(yù)測動物生物力學(xué)方面表現(xiàn)不俗，但在模擬復(fù)雜環(huán)境（如不平地面、松散地形和湍急水流）方面仍面臨挑戰(zhàn)。借助機(jī)器人，科學(xué)家們只需觀察它在不同環(huán)境中的行為即可。“我們可以直接觀察其行為，而無需糾結(jié)于模擬中的每一個細(xì)節(jié)�！卑亓趾楸ご髮W(xué)的進(jìn)化生物學(xué)家 John Nyakatura 表示。
古生物學(xué)與機(jī)器人技術(shù)的結(jié)合，起源于更為成熟的仿生機(jī)器人學(xué)領(lǐng)域。在該領(lǐng)域中，科學(xué)家們會依據(jù)現(xiàn)代動物來設(shè)計機(jī)器人。然而，古生物機(jī)器人學(xué)家在設(shè)計機(jī)器人系統(tǒng)時面臨著額外的難題，因為他們沒有現(xiàn)存生物作為參考。
為了克服這一限制，他們從現(xiàn)代、后代或是不完整的化石記錄等 “次優(yōu)選項” 中提取信息。為確保研究方向正確，他們可能會嘗試從現(xiàn)代動物群中總結(jié)出從進(jìn)化樹共同祖先分化而來的一般特征，也可能借助物理學(xué)原理，探尋動物最合理的運(yùn)動方式。畢竟，生物在數(shù)百萬年的時間里可能發(fā)生了巨大變化，但自然的基本定律卻沒有變。
現(xiàn)代技術(shù)的進(jìn)步正推動古生物啟發(fā)機(jī)器人學(xué)進(jìn)入黃金時代。計算機(jī)輔助設(shè)計和 3D 打印等前沿制造技術(shù)，讓研究人員能夠快速制作出原型。新材料拓寬了機(jī)器人運(yùn)動控制的途徑，改進(jìn)后的 3D 成像技術(shù)則使研究人員能夠以前所未有的精度對化石進(jìn)行數(shù)字化處理。
這些技術(shù)都有助于古生物機(jī)器人學(xué)家制造出更為逼真的機(jī)器人。與老一代機(jī)器人僵硬的動作不同，新一代機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)更接近真實(shí)動物的流暢運(yùn)動。
如今，研究人員距離研究那些只有讓滅絕動物“復(fù)活”才能探究的行為問題越來越近�！拔覀冋娴恼J(rèn)為，這是一個尚未得到充分開發(fā)的領(lǐng)域，機(jī)器人技術(shù)能夠為科學(xué)研究做出重要貢獻(xiàn)�！庇鴦虼髮W(xué)的機(jī)器人專家 Michael Ishida 在其關(guān)于該領(lǐng)域的綜述研究中寫道。
以下是四個示例，展示了這些機(jī)器人如何揭示遠(yuǎn)古生物的秘密。
OroBot 機(jī)器人
2010 年代后期，John Nyakatura 致力于研究一種名為 Orobates pabsti 的已滅絕生物的步態(tài)。這種四肢動物生活在 2.8 億年前，由于其生存年代早于哺乳動物和爬行動物的分化，實(shí)際上與這兩個類群的最后一個共同祖先相關(guān)，因此充滿了神秘色彩。John Nyakatura 在與一位機(jī)器人專家相遇后取得了突破，這位專家制作了一個以現(xiàn)代四足動物（蠑螈）為靈感的機(jī)器人。
（來源：MIT Technology Review）
這段合作源于一次偶然的交流，John Nyakatura 回憶道：“我們當(dāng)時就是邊喝啤酒邊聊天�！� 隨后，團(tuán)隊在現(xiàn)有機(jī)器人藍(lán)圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整，古生物學(xué)家向機(jī)器人專家提供化石的解剖參數(shù)用于機(jī)器人的構(gòu)建，并將這個新發(fā)明命名為 OroBot。
OroBot 的尺寸比例參考了化石的 CT 掃描數(shù)據(jù)。研究人員使用現(xiàn)成的零件組裝機(jī)器人，由于標(biāo)準(zhǔn)致動器（將能量轉(zhuǎn)化為運(yùn)動的裝置）體積較大，他們不得不將 OroBot 的長度擴(kuò)大到約 1.4 米，是其原始尺寸的兩倍。
（來源：MIT Technology Review）
此外，考慮到腳是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以復(fù)制的部位，有著廣泛的運(yùn)動范圍和大量結(jié)締軟組織，團(tuán)隊為機(jī)器人配備了柔性墊來代替精確還原解剖結(jié)構(gòu)的腳，這使得 OroBot 看起來像是穿著人字拖在行走。
不過，機(jī)器人的設(shè)計師在其他細(xì)節(jié)上花費(fèi)了大量心思，比如其 3D 打印的人造骨頭，不僅被涂成了紅潤的顏色，還帶有骨質(zhì)紋理，以更好地模仿原始化石。John Nyakatura 評價道：“你能看出工程師們真的很喜歡這個機(jī)器人，他們是發(fā)自內(nèi)心地?zé)釔鬯�。�?br/>
OroBot 完成后，John Nyakatura 的團(tuán)隊將其放在跑步機(jī)上，觀察它的爬行方式。通過測量機(jī)器人的能量消耗、運(yùn)動穩(wěn)定性以及其足跡與化石腳印的相似性，研究人員得出結(jié)論：Orobates 的行走方式可能類似于現(xiàn)代凱門鱷（鱷魚的近親），呈現(xiàn)出搖擺的步態(tài)。他表示，“我們認(rèn)為找到了這種更先進(jìn)的陸地運(yùn)動方式的證據(jù)，比之前預(yù)計的時間提前了約 5000 萬年，這改變了我們對早期四足動物進(jìn)化方式的認(rèn)知。”
菊石機(jī)器人
菊石是生活在恐龍時代的帶殼頭足類動物，與現(xiàn)代的魷魚、章魚屬于同一類別。如今，菊石僅存的譜系是鸚鵡螺，但菊石化石數(shù)量豐富，為研究菊石殼并構(gòu)建機(jī)器人模型的研究人員提供了大量有價值的參考資料。
（來源：MIT Technology Review）
2020 年至 2022 年期間，進(jìn)化生物力學(xué)家 David Peterman 在猶他大學(xué)擔(dān)任博士后研究員，他想要研究不同菊石殼的結(jié)構(gòu)對其在水下運(yùn)動的影響，簡單來說，就是確認(rèn) “菊石是否能夠游泳”。
僅從化石很難看出菊石在水生環(huán)境中的運(yùn)動，它們可能是搖晃、緩慢移動，也可能是輕松游動。為了找到答案，他決定制作一個機(jī)器人進(jìn)行實(shí)驗。
（來源：MIT Technology Review）
復(fù)制化石中菊石殼的大小和形狀相對容易，但真正的挑戰(zhàn)在于機(jī)器人接觸水面時的表現(xiàn)。重量分布至關(guān)重要，不平衡的 “生物” 會在水中翻滾、擺動。為解決這一問題，彼得曼在機(jī)器人內(nèi)部增加了配重，以平衡電池和噴氣推進(jìn)器的重量，同時還需考慮整體質(zhì)量，確保機(jī)器人在水中既不會漂浮也不會下沉，達(dá)到中性浮力狀態(tài)。
接下來便是有趣的環(huán)節(jié)，擁有不同大小外殼的機(jī)器人在大學(xué)奧林匹克標(biāo)準(zhǔn)游泳池中進(jìn)行 “競速比賽”，吸引了眾多健身愛好者的目光。他發(fā)現(xiàn)，菊石需要在穩(wěn)定性和機(jī)動性之間找到微妙的平衡，并不存在一種絕對最優(yōu)的外殼結(jié)構(gòu)。
（來源：MIT Technology Review）
較窄的殼更穩(wěn)定，能夠在保持直立的同時破浪前行；較寬的殼則更靈活，但菊石需要消耗更多能量來保持直立。最終，研究團(tuán)隊得出結(jié)論：古代菊石所采用的外殼結(jié)構(gòu)，與其獨(dú)特的生活方式和游泳形式相適應(yīng)，或者說這種外殼結(jié)構(gòu)最終塑造了它們的生活方式和運(yùn)動形式。
機(jī)器魚
如果機(jī)器人專家在研究時沒有化石作為參考該怎么辦呢？這正是 Michael Ishida 團(tuán)隊面臨的難題。他們希望深入了解近 4 億年前古代海洋動物是如何首次從海洋遷徙到陸地并學(xué)會行走的。
由于缺乏過渡化石，研究人員將目光轉(zhuǎn)向了現(xiàn)代能夠行走的魚類。這些魚類展示出了多種多樣的 “步態(tài)”，比如肩章鯊用四鰭爬行，彈涂魚在陸地上像蝴蝶一樣劃動。就像是“條條大路通羅馬”，多種古代魚類以不同的行走方式實(shí)現(xiàn)了從海洋到陸地的過渡。Michael Ishida 團(tuán)隊決定專注研究一種特定的 “步態(tài)”：塞內(nèi)加爾多鰭魚的半步半滑行。
（來源：MIT Technology Review）
實(shí)際上，該團(tuán)隊制作的 “機(jī)器魚” 與現(xiàn)存的塞內(nèi)加爾多鰭魚看起來并不相似。機(jī)器魚的主體由剛性部件組成，而非柔軟的柔性聚合物，這是一個簡化版本，因為團(tuán)隊旨在尋找能讓類似魚類的生物用附肢向前推進(jìn)的最基本特征和動作組合。
Michael Ishida 表示：“‘最基本’這個詞可不好把握�！� 但機(jī)器人實(shí)驗?zāi)軌驇椭懦切┰谖锢砩喜惶赡艿那闆r。他還提到：“至少我們可以通過實(shí)驗證明，憑借這種特殊的骨骼結(jié)構(gòu)或關(guān)節(jié)形態(tài)，某種魚有可能在陸地上行走�！� 團(tuán)隊從模仿現(xiàn)代魚開始，不斷簡化機(jī)器人，直到它無法再向前移動，這一過程就像是在進(jìn)化時間線上 “逆向回溯”。
該團(tuán)隊希望能盡快在學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表研究成果。即便在忙著撰寫論文的過程中，Michael Ishida 也深知自己能夠從事這項兼具未來主義和史前研究特色的工作是多么幸運(yùn)。他感慨道：“制造機(jī)器人和研究恐龍是每個孩子的夢想，而我每天都在實(shí)現(xiàn)這兩個夢想。”
Rhombot 機(jī)器人
大約 4.5 億年前，一種體型類似超大精子的棘皮動物在海底爬行。這種名為側(cè)囊蟲的生物早已滅絕，但其存在的證據(jù)仍保存在眾多化石中。然而，它如何移動至今仍是個謎，因為沒有現(xiàn)代動物與這個圓鼓鼓的小生物相似。
（來源：MIT Technology Review）
卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的機(jī)械工程師 Carmel Majidi 一直在制作類似于海星和其他現(xiàn)代棘皮動物的機(jī)器人。隨后，他的團(tuán)隊決定運(yùn)用相同的技術(shù)，研究它們的遠(yuǎn)古祖先側(cè)囊蟲，試圖解開其運(yùn)動之謎。
（來源：MIT Technology Review）
Carmel Majidi 團(tuán)隊借鑒了之前制作軟機(jī)器人的經(jīng)驗。他提到：“我們面臨的主要挑戰(zhàn)是將驅(qū)動裝置融入生物體中�！� 側(cè)囊蟲的尾巴需要既柔韌，又能像真正的肌肉一樣變硬。在尾部嵌入通常由堅硬材料制成的預(yù)制電機(jī)并不可行。最終，團(tuán)隊采用形狀記憶合金進(jìn)行制作，這種金屬能夠根據(jù)溫度變形或保持形狀。通過電刺激對尾部進(jìn)行局部加熱，科學(xué)家們就能讓它彎曲和擺動。
研究人員測試了不同長度的尾巴對機(jī)器人整體運(yùn)動的影響。Carmel Majidi 制作的 Rhombot 機(jī)器人和 2023 年發(fā)表的計算機(jī)模擬結(jié)果都表明，側(cè)囊蟲可能是通過左右擺動尾巴，以掃動的方式推動自己前進(jìn)，其速度取決于尾巴的剛度和身體角度。
（來源：MIT Technology Review）
研究團(tuán)隊還發(fā)現(xiàn)，擁有較長的尾巴（最長可達(dá) 60 厘米）更具優(yōu)勢，能夠在不增加能耗的情況下提高運(yùn)動速度，而這一結(jié)論也得到了化石記錄的證實(shí)。接下來，研究人員計劃在更多不同表面紋理（如泥濘地形）上測試 Rhombot 機(jī)器人。
Shi En Kim 是一位居住在華盛頓特區(qū)的自由科學(xué)作家。
原文鏈接：
https://www.technologyreview.com/2025/02/12/1111409/paleo-robots-extinct-prehistoric-animals/
