要点:
古生物学家通过制作史前动物的实验机器人模型，模拟已灭绝生物的行为和特征，弥补化石记录的不足，从而深入研究远古生物的生活方式和演化过程。
古生物学研究一直以来都面临着种种挑战，尤其是当研究对象已经灭绝，无法通过活体样本进行观察时。然而，随着技术的不断进步，科学家们正在开发出越来越创新的方法来弥补这些不足。
近年来，古生物学与机器人技术的结合为我们打开了新的研究视野。通过制造史前动物的机器人模型，科学家们能够模拟这些生物的行为和运动方式，从而更加真实地还原它们的生活场景。这个新兴领域不仅拓展了我们对古代生物的理解，还揭示了许多早期物种进化的关键线索。
古生物学家不会轻易被进化的“死胡同”或稀缺的化石记录所困扰。近年来，他们开发了一种创新的研究方法：通过制作史前动物的实验机器人模型，模拟“时光倒流”，从而深入探索已灭绝生物的特征和行为。
科学家们表示，在没有活体样本的情况下，能够行走、飞行、游泳或蠕动的机器人，成为研究古生物行为的最佳替代选择。通过观察这些机器人如何运动，研究人员能更深入地了解这些生物的生活方式，包括它们的历史分布范围和觅食习性等关键方面。
尽管数字模型在预测动物生物力学方面表现优异，但在模拟复杂环境（如不平坦的地面、松散的地形和湍急的水流）时仍然面临挑战。借助机器人，科学家们能够直接观察它们在各种环境中的行为，而无需纠结于模拟过程中每个细节的准确性。 “我们可以通过直接观察机器人的行为，了解其适应环境的方式，而无需过多担心每一个模拟的参数。”柏林洪堡大学的进化生物学家John Nyakatura说道。
古生物学与机器人技术的结合源自更加成熟的仿生机器人学领域。在这一领域中，科学家们根据现代动物的特点来设计机器人。然而，古生物机器人学家面临的挑战更为复杂，因为他们无法直接参考现存物种的生物特征。为了克服这一局限，他们从现代动物、后代物种或不完整的化石记录中提取信息。为了确保设计的合理性，他们可能会分析现代动物群体的共性，或者借助物理学原理推测动物最自然的运动方式。尽管生物在数百万年间可能发生了显著的变化，但自然界的基本规律始终不变。
随着现代技术的飞速发展，古生物启发的机器人学正在迎来黄金时代。计算机辅助设计和3D打印等技术让研究人员能够快速构建原型、新型材料为机器人运动控制提供了更多选择、而改进后的3D成像技术，则使化石的数字化处理精度达到了前所未有的水平。这些进步使得古生物机器人学家能够设计出更加逼真的机器人，与早期的僵硬机器人不同，新一代机器人能够模拟出更为流畅、自然的运动。
如今，科学家们正越来越接近解开那些只有通过“复活”已灭绝动物才能研究的行为问题。 “我们深信，机器人技术在这一领域的潜力尚未得到充分挖掘，未来它将为古生物学的研究做出重要贡献。”英国剑桥大学的机器人专家Michael Ishida在其关于该领域的综述中指出。
以下是四个示例，展示了这些机器人如何揭示远古生物的秘密
OroBot机器人：2.8亿年前的行走之谜
在2010年代后期，John Nyakatura专注于研究一种名为Orobates pabsti的已灭绝生物的步态。这种四足动物生活在2.8亿年前，因其出现在哺乳动物和爬行动物分化之前，与这两个类群的共同祖先有着深远的关系，充满了神秘的面纱。与一位机器人专家的偶然相遇成为了他研究的突破口。这位专家设计了一个以现代四足动物：蝾螈为灵感的机器人。
OroBot的设计参考了化石的CT扫描数据，研究人员使用现有零件组装机器人。由于标准致动器的体积较大，OroBot的长度被放大到约1.4米，是原始尺寸的两倍。尤其是在脚部设计上，考虑到其结构的复杂性和广泛的运动范围，团队为机器人配备了柔性垫来代替精确的解剖结构，还原了运动能力，但看起来像是穿着人字拖在走路。尽管如此，设计师们在其他细节上十分用心。例如，3D打印的人造骨头不仅涂成了自然的红润色，还刻画了骨质纹理，更真实地模仿了化石的外观。
当OroBot完成后，Nyakatura的团队将其放置在跑步机上，观察它的爬行模式。通过测量机器人的能量消耗、运动稳定性以及其足迹与化石脚印的相似度，研究人员得出结论：Orobates的行走方式可能类似于现代凯门鳄，呈现出一种摇摆的步态。 “我们发现了更先进的陆地运动方式的证据，可能比我们之前预期的要早5000万年，这一发现彻底改变了我们对早期四足动物进化方式的认知。”
菊石机器人：探索水下运动的奥秘
菊石是生活在恐龙时代的带壳头足类动物，和现代的鱿鱼、章鱼属于同一类。如今，虽然菊石已灭绝，其唯一存续的亲属是鹦鹉螺，但菊石化石仍然丰富，成为研究菊石壳形态及构建机器人模型的宝贵资料来源。
2020至2022年间，进化生物力学家David Peterman在犹他大学担任博士后研究员，他致力于探讨菊石壳的结构对其水下运动能力的影响，简而言之，就是想知道“菊石是否能游泳”。尽管化石提供了菊石外形的线索，但它们在水中的实际运动方式依然难以从化石中得出结论。菊石可能通过摇晃缓慢移动，也可能轻松游动。为了获得更清晰的答案，Peterman决定制作一个机器人模型进行实验。
复制菊石壳的大小和形状相对简单，但真正的难点在于如何让机器人在水中表现得自然。机器人内部的重量分布至关重要，不平衡的“生物”会在水中翻滚或摆动。为了克服这个问题，Peterman在机器人内部增加了配重，平衡电池和喷气推进器的重量，同时确保整体质量达到中性浮力，使得机器人既不漂浮也不下沉。
接下来，研究团队将不同大小壳体的机器人放入大学奥林匹克标准游泳池进行“竞速比赛”，吸引了不少健身爱好者的围观。在实验过程中，Peterman发现菊石在稳定性与机动性之间必须找到一个微妙的平衡，实际上并没有一种绝对最优的壳形结构。
狭窄的壳更稳定，能够在保持直立的状态下破浪前行；而较宽的壳则提供更大的灵活性，但菊石需要消耗更多的能量来维持平衡。最终，研究团队得出结论：菊石所釆用的壳形结构与它们特有的生活方式和游泳方式密切相关，或者说，这种结构塑造了它们的运动方式和生活模式。
机器鱼：揭秘海洋动物如何迈向陆地
如果机器人专家在研究时没有化石作为参考该怎么办呢？这正是Michael Ishida团队所面临的挑战。团队的目标是深入探讨近4亿年前，古代海洋动物如何首次从海洋迁徙到陆地并学会行走。
由于缺乏过渡化石，研究人员将目光转向了现代能在陆地上行走的鱼类。这些鱼类展现出多样的“步态”，例如肩章鲨用四鳍爬行，弹涂鱼则像蝴蝶一样在陆地上划动。不同的古代鱼类釆用了多种不同的行走方式，成功地实现了从海洋到陆地的过渡。 Michael Ishida团队决定聚焦于研究一种特定的“步态”：塞内加尔多鳍鱼的半步半滑行。
实际上，团队所制造的“机器鱼”与现存的塞内加尔多鳍鱼差别较大。机器鱼的主体由刚性部件构成，而非像鱼类那样由柔软的柔性聚合物构成，这是一种简化版本，目的是找出可以帮助像鱼类这样的生物用附肢向前推进的最基本特征和动作组合。
Michael Ishida表示，“'最基本'的定义并不容易把握。”然而，机器人实验能够帮助排除那些在物理上不可能的情形。他还提到，“至少通过实验我们能够证明，凭借这种特殊的骨骼结构或关节形态，某些鱼类或许能够在陆地上行走。”团队从模仿现代鱼类开始，逐步简化机器人的结构，直到它无法继续向前移动，这一过程就像是在“逆向回溯”进化的时间线。
该团队期望尽快在学术期刊上发表他们的研究成果。尽管忙于撰写论文，Michael Ishida依然深感自己能够从事这项结合未来主义与史前研究的工作是多么幸运。他感慨道，“制造机器人和研究恐龙是每个孩子的梦想，而我每天都在实现这两个梦想。”
Rhombot机器人：模拟侧囊虫的古代移动方式
大约4.5亿年前，一种形态类似超大精子的棘皮动物在海底爬行，这种生物被称为侧囊虫。尽管这种生物早已灭绝，但其化石遗迹依然为我们提供了珍贵的证据。然而，侧囊虫的移动方式依然是个谜，因为没有现代动物与这种圆鼓鼓的小生物相似。
卡内基梅隆大学的机械工程师Carmel Majidi一直致力于研发模仿海星及其他现代棘皮动物的机器人。随着研究的深入，Majidi的团队决定将相同的技术应用于侧囊虫，试图揭开这类远古生物如何移动的谜团。
团队借鉴了之前制作软机器人时的经验。 Carmel Majidi提到，“我们面临的主要挑战是将驱动装置融入生物体结构中。”侧囊虫的尾巴需要既柔韧，又能像真正的肌肉一样变硬，传统的预制电机并不适用于尾部。最后，团队选用了形状记忆合金，这种金属可以通过温度变化来改变形态。通过电刺激对尾部进行加热，科学家们成功实现了尾巴的弯曲和摆动。
在实验中，研究团队测试了不同长度的尾巴对机器人运动的影响。 Carmel Majidi制作的Rhombot机器人和2023年发表的计算机模拟研究都表明，侧囊虫可能通过左右摆动尾巴，利用扫动的方式推动自己前进，速度则与尾巴的刚度和身体角度密切相关。
研究发现，拥有更长尾巴的侧囊虫（最长可达60厘米）具有明显的优势，能够在不增加能耗的情况下提高运动速度，这一结论也得到了化石记录的支持。接下来，研究人员计划在更复杂的表面环境，如泥泞地形上，进一步测试Rhombot机器人。
这些通过机器人技术实现的“复生”实验，不仅拓展了我们对史前生物行为的认知，还为我们提供了探索古生物世界的全新视角。机器人不再是单纯的机械工具，而是打开了穿越时空的窗口，让我们能够“亲眼”看到已灭绝物种在历史长河中的生活轨迹。
随着技术的不断进步，未来的研究将更深入地揭示古生物与环境之间的复杂互动，甚至有可能为我们在保护现存物种、理解生态系统演变提供借鉴。这种跨学科的创新方式，预示着古生物学与现代科技的融合将会为人类打开全新的探索大门，赋予我们更强的能力去解锁地球历史中那些尚未解开的谜题。
