（來源：MIT Technology Review）
古生物學(xué)家不會(huì)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(dòng)物的實(shí)驗(yàn)機(jī)器人模型，以實(shí)現(xiàn) “時(shí)光倒流”進(jìn)而深入探究史前動(dòng)物。
科學(xué)家們表示，在沒有活體樣本的情況下，一個(gè)能夠行走、飛行、游泳或蠕動(dòng)的機(jī)器人，是研究已滅絕生物行為的最佳替代選擇。對(duì)這些生物的運(yùn)動(dòng)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(cè)動(dòng)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�！拔覀兛梢灾苯佑^察其行為，而無需糾結(jié)于模擬中的每一個(gè)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(huì)依據(jù)現(xiàn)代動(dòng)物來設(shè)計(jì)機(jī)器人。然而，古生物機(jī)器人學(xué)家在設(shè)計(jì)機(jī)器人系統(tǒng)時(shí)面臨著額外的難題，因?yàn)樗麄儧]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(xiàng)” 中提取信息。為確保研究方向正確，他們可能會(huì)嘗試從現(xiàn)代動(dòng)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(dòng)物最合理的運(yùn)動(dòng)方式。畢竟，生物在數(shù)百萬年的時(shí)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(dòng)古生物啟發(fā)機(jī)器人學(xué)進(jìn)入黃金時(shí)代。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(dòng)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(duì)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(dòng)作不同，新一代機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)更接近真實(shí)動(dòng)物的流暢運(yùn)動(dòng)。
如今，研究人員距離研究那些只有讓滅絕動(dòng)物“復(fù)活”才能探究的行為問題越來越近。“我們真的認(rèn)為，這是一個(gè)尚未得到充分開發(fā)的領(lǐng)域，機(jī)器人技術(shù)能夠?yàn)榭茖W(xué)研究做出重要貢獻(xiàn)�！庇�(guó)劍橋大學(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(gè)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(dòng)物生活在 2.8 億年前，由于其生存年代早于哺乳動(dòng)物和爬行動(dòng)物的分化，實(shí)際上與這兩個(gè)類群的最后一個(gè)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(gè)以現(xiàn)代四足動(dòng)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(shí)就是邊喝啤酒邊聊天�！� 隨后，團(tuán)隊(duì)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(gè)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(dòng)器（將能量轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)的裝置）體積較大，他們不得不將 OroBot 的長(zhǎng)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(dòng)范圍和大量結(jié)締軟組織，團(tuán)隊(duì)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(jì)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(rùn)的顏色，還帶有骨質(zhì)紋理，以更好地模仿原始化石。John Nyakatura 評(píng)價(jià)道：“你能看出工程師們真的很喜歡這個(gè)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(duì)將其放在跑步機(jī)上，觀察它的爬行方式。通過測(cè)量機(jī)器人的能量消耗、運(yùn)動(dòng)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(dòng)方式的證據(jù)，比之前預(yù)計(jì)的時(shí)間提前了約 5000 萬年，這改變了我們對(duì)早期四足動(dòng)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(shí)代的帶殼頭足類動(dòng)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(jià)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(duì)其在水下運(yùn)動(dòng)的影響，簡(jiǎn)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(dòng)，它們可能是搖晃、緩慢移動(dòng)，也可能是輕松游動(dòng)。為了找到答案，他決定制作一個(gè)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
（來源：MIT Technology Review）
復(fù)制化石中菊石殼的大小和形狀相對(duì)容易，但真正的挑戰(zhàn)在于機(jī)器人接觸水面時(shí)的表現(xiàn)。重量分布至關(guān)重要，不平衡的 “生物” 會(huì)在水中翻滾、擺動(dòng)。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(shí)還需考慮整體質(zhì)量，確保機(jī)器人在水中既不會(huì)漂浮也不會(huì)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(jìng)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(dòng)性之間找到微妙的平衡，并不存在一種絕對(duì)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(shí)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(duì)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(dòng)形式。
機(jī)器魚
如果機(jī)器人專家在研究時(shí)沒有化石作為參考該怎么辦呢？這正是 Michael Ishida 團(tuán)隊(duì)面臨的難題。他們希望深入了解近 4 億年前古代海洋動(dòng)物是如何首次從海洋遷徙到陸地并學(xué)會(huì)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(dòng)。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(duì)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(duì)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(gè)簡(jiǎn)化版本，因?yàn)閳F(tuán)隊(duì)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(dòng)作組合。
Michael Ishida 表示：“‘最基本’這個(gè)詞可不好把握。” 但機(jī)器人實(shí)驗(yàn)?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(yàn)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(duì)從模仿現(xiàn)代魚開始，不斷簡(jiǎn)化機(jī)器人，直到它無法再向前移動(dòng)，這一過程就像是在進(jìn)化時(shí)間線上 “逆向回溯”。
該團(tuán)隊(duì)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(xiàng)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(gè)孩子的夢(mèng)想，而我每天都在實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)夢(mèng)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(dòng)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(dòng)至今仍是個(gè)謎，因?yàn)闆]有現(xiàn)代動(dòng)物與這個(gè)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(dòng)物的機(jī)器人。隨后，他的團(tuán)隊(duì)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(dòng)之謎。
（來源：MIT Technology Review）
Carmel Majidi 團(tuán)隊(duì)借鑒了之前制作軟機(jī)器人的經(jīng)驗(yàn)。他提到：“我們面臨的主要挑戰(zhàn)是將驅(qū)動(dòng)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(jiān)硬材料制成的預(yù)制電機(jī)并不可行。最終，團(tuán)隊(duì)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(duì)尾部進(jìn)行局部加熱，科學(xué)家們就能讓它彎曲和擺動(dòng)。
研究人員測(cè)試了不同長(zhǎng)度的尾巴對(duì)機(jī)器人整體運(yùn)動(dòng)的影響。Carmel Majidi 制作的 Rhombot 機(jī)器人和 2023 年發(fā)表的計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果都表明，側(cè)囊蟲可能是通過左右擺動(dòng)尾巴，以掃動(dòng)的方式推動(dòng)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(duì)還發(fā)現(xiàn)，擁有較長(zhǎng)的尾巴（最長(zhǎng)可達(dá) 60 厘米）更具優(yōu)勢(shì)，能夠在不增加能耗的情況下提高運(yùn)動(dòng)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(jì)劃在更多不同表面紋理（如泥濘地形）上測(cè)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/
