要點:
古生物學家通過制作史前動物的實驗機器人模型，模擬已滅絕生物的行為和特徵，彌補化石記錄的不足，從而深入研究遠古生物的生活方式和演化過程。
古生物學研究一直以來都面臨着種種挑戰，尤其是當研究對象已經滅絕，無法通過活體樣本進行觀察時。然而，隨着技朮的不斷進步，科學家們正在開發出越來越創新的方法來彌補這些不足。
近年來，古生物學與機器人技朮的結合為我們打開了新的研究視野。通過制造史前動物的機器人模型，科學家們能夠模擬這些生物的行為和運動方式，從而更加真實地還原它們的生活場景。這個新興領域不僅拓展了我們對古代生物的理解，還揭示了許多早期物種進化的關鍵線索。
古生物學家不會輕易被進化的“死胡同”或稀缺的化石記錄所困擾。近年來，他們開發了一種創新的研究方法：通過制作史前動物的實驗機器人模型，模擬“時光倒流”，從而深入探索已滅絕生物的特徵和行為。
科學家們表示，在沒有活體樣本的情況下，能夠行走、飛行、游泳或蠕動的機器人，成為研究古生物行為的最佳替代選擇。通過觀察這些機器人如何運動，研究人員能更深入地了解這些生物的生活方式，包括它們的曆史分布范圍和覓食習性等關鍵方面。
盡管數字模型在預測動物生物力學方面表現優異，但在模擬復雜環境（如不平坦的地面、松散的地形和湍急的水流）時仍然面臨挑戰。借助機器人，科學家們能夠直接觀察它們在各種環境中的行為，而無需糾結於模擬過程中每個細節的准確性。“我們可以通過直接觀察機器人的行為，了解其適應環境的方式，而無需過多擔心每一個模擬的參數。”柏林洪堡大學的進化生物學家John Nyakatura說道。
古生物學與機器人技朮的結合源自更加成熟的仿生機器人學領域。在這一領域中，科學家們根據現代動物的特點來設計機器人。然而，古生物機器人學家面臨的挑戰更為復雜，因為他們無法直接參考現存物種的生物特徵。為了克服這一局限，他們從現代動物、后代物種或不完整的化石記錄中提取信息。為了確保設計的合理性，他們可能會分析現代動物群體的共性，或者借助物理學原理推測動物最自然的運動方式。盡管生物在數百萬年間可能發生了顯著的變化，但自然界的基本規律始終不變。
隨着現代技朮的飛速發展，古生物啟發的機器人學正在迎來黃金時代。計算機輔助設計和3D打印等技朮讓研究人員能夠快速搆建原型、新型材料為機器人運動控制提供了更多選擇、而改進后的3D成像技朮，則使化石的數字化處理精度達到了前所未有的水平。這些進步使得古生物機器人學家能夠設計出更加逼真的機器人，與早期的僵硬機器人不同，新一代機器人能夠模擬出更為流暢、自然的運動。
如今，科學家們正越來越接近解開那些只有通過“復活”已滅絕動物才能研究的行為問題。“我們深信，機器人技朮在這一領域的潛力尚未得到充分挖掘，未來它將為古生物學的研究做出重要貢獻。”英國劍橋大學的機器人專家Michael Ishida在其關於該領域的綜述中指出。
以下是四個示例，展示了這些機器人如何揭示遠古生物的秘密
OroBot機器人：2.8億年前的行走之謎
在2010年代后期，John Nyakatura專注於研究一種名為Orobates pabsti的已滅絕生物的步態。這種四足動物生活在2.8億年前，因其出現在哺乳動物和爬行動物分化之前，與這兩個類群的共同祖先有着深遠的關系，充滿了神秘的面紗。與一位機器人專家的偶然相遇成為了他研究的突破口。這位專家設計了一個以現代四足動物：蠑螈為靈感的機器人。
OroBot的設計參考了化石的CT掃描數據，研究人員使用現有零件組裝機器人。由於標准致動器的體積較大，OroBot的長度被放大到約1.4米，是原始尺寸的兩倍。尤其是在腳部設計上，考慮到其結搆的復雜性和廣泛的運動范圍，團隊為機器人配備了柔性墊來代替精確的解剖結搆，還原了運動能力，但看起來像是穿着人字拖在走路。盡管如此，設計師們在其他細節上十分用心。例如，3D打印的人造骨頭不僅塗成了自然的紅潤色，還刻畫了骨質紋理，更真實地模仿了化石的外觀。
當OroBot完成后，Nyakatura的團隊將其放置在跑步機上，觀察它的爬行模式。通過測量機器人的能量消耗、運動穩定性以及其足跡與化石腳印的相似度，研究人員得出結論：Orobates的行走方式可能類似於現代凱門鱷，呈現出一種搖擺的步態。“我們發現了更先進的陸地運動方式的證據，可能比我們之前預期的要早5000萬年，這一發現徹底改變了我們對早期四足動物進化方式的認知。”
菊石機器人：探索水下運動的奧秘
菊石是生活在恐龍時代的帶殼頭足類動物，和現代的魷魚、章魚屬於同一類。如今，雖然菊石已滅絕，其唯一存續的親屬是鸚鵡螺，但菊石化石仍然丰富，成為研究菊石殼形態及搆建機器人模型的寶貴資料來源。
2020至2022年間，進化生物力學家David Peterman在猶他大學擔任博士后研究員，他致力於探討菊石殼的結搆對其水下運動能力的影響，簡而言之，就是想知道“菊石是否能游泳”。盡管化石提供了菊石外形的線索，但它們在水中的實際運動方式依然難以從化石中得出結論。菊石可能通過搖晃緩慢移動，也可能輕松游動。為了獲得更清晰的答案，Peterman決定制作一個機器人模型進行實驗。
復制菊石殼的大小和形狀相對簡單，但真正的難點在於如何讓機器人在水中表現得自然。機器人內部的重量分布至關重要，不平衡的“生物”會在水中翻滾或擺動。為了克服這個問題，Peterman在機器人內部增加了配重，平衡電池和噴氣推進器的重量，同時確保整體質量達到中性浮力，使得機器人既不漂浮也不下沉。
接下來，研究團隊將不同大小殼體的機器人放入大學奧林匹克標准游泳池進行“競速比賽”，吸引了不少健身愛好者的圍觀。在實驗過程中，Peterman發現菊石在穩定性與機動性之間必須找到一個微妙的平衡，實際上并沒有一種絕對最優的殼形結搆。
狹窄的殼更穩定，能夠在保持直立的狀態下破浪前行；而較寬的殼則提供更大的靈活性，但菊石需要消耗更多的能量來維持平衡。最終，研究團隊得出結論：菊石所釆用的殼形結搆與它們特有的生活方式和游泳方式密切相關，或者說，這種結搆塑造了它們的運動方式和生活模式。
機器魚：揭秘海洋動物如何邁向陸地
如果機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團隊所面臨的挑戰。團隊的目標是深入探討近4億年前，古代海洋動物如何首次從海洋遷徙到陸地并學會行走。
由於缺乏過渡化石，研究人員將目光轉向了現代能在陸地上行走的魚類。這些魚類展現出多樣的“步態”，例如肩章鯊用四鰭爬行，彈塗魚則像蝴蝶一樣在陸地上划動。不同的古代魚類釆用了多種不同的行走方式，成功地實現了從海洋到陸地的過渡。Michael Ishida團隊決定聚焦於研究一種特定的“步態”：塞內加爾多鰭魚的半步半滑行。
實際上，團隊所制造的“機器魚”與現存的塞內加爾多鰭魚差別較大。機器魚的主體由剛性部件搆成，而非像魚類那樣由柔軟的柔性聚合物搆成，這是一種簡化版本，目的是找出可以幫助像魚類這樣的生物用附肢向前推進的最基本特徵和動作組合。
Michael Ishida表示，“‘最基本’的定義并不容易把握。”然而，機器人實驗能夠幫助排除那些在物理上不可能的情形。他還提到，“至少通過實驗我們能夠證明，憑借這種特殊的骨骼結搆或關節形態，某些魚類或許能夠在陸地上行走。”團隊從模仿現代魚類開始，逐步簡化機器人的結搆，直到它無法繼續向前移動，這一過程就像是在“逆向回溯”進化的時間線。
該團隊期望盡快在學朮期刊上發表他們的研究成果。盡管忙於撰寫論文，Michael Ishida依然深感自己能夠從事這項結合未來主義與史前研究的工作是多么幸運。他感慨道，“制造機器人和研究恐龍是每個孩子的夢想，而我每天都在實現這兩個夢想。”
Rhombot機器人：模擬側囊蟲的古代移動方式
大約4.5億年前，一種形態類似超大精子的棘皮動物在海底爬行，這種生物被稱為側囊蟲。盡管這種生物早已滅絕，但其化石遺跡依然為我們提供了珍貴的證據。然而，側囊蟲的移動方式依然是個謎，因為沒有現代動物與這種圓鼓鼓的小生物相似。
卡內基梅隆大學的機械工程師Carmel Majidi一直致力於研發模仿海星及其他現代棘皮動物的機器人。隨着研究的深入，Majidi的團隊決定將相同的技朮應用於側囊蟲，試圖揭開這類遠古生物如何移動的謎團。
團隊借鑒了之前制作軟機器人時的經驗。Carmel Majidi提到，“我們面臨的主要挑戰是將驅動裝置融入生物體結搆中。”側囊蟲的尾巴需要既柔韌，又能像真正的肌肉一樣變硬，傳統的預制電機并不適用於尾部。最后，團隊選用了形狀記憶合金，這種金屬可以通過溫度變化來改變形態。通過電刺激對尾部進行加熱，科學家們成功實現了尾巴的彎曲和擺動。
在實驗中，研究團隊測試了不同長度的尾巴對機器人運動的影響。Carmel Majidi制作的Rhombot機器人和2023年發表的計算機模擬研究都表明，側囊蟲可能通過左右擺動尾巴，利用掃動的方式推動自己前進，速度則與尾巴的剛度和身體角度密切相關。
研究發現，擁有更長尾巴的側囊蟲（最長可達60釐米）具有明顯的優勢，能夠在不增加能耗的情況下提高運動速度，這一結論也得到了化石記錄的支持。接下來，研究人員計划在更復雜的表面環境，如泥濘地形上，進一步測試Rhombot機器人。
這些通過機器人技朮實現的“復生”實驗，不僅拓展了我們對史前生物行為的認知，還為我們提供了探索古生物世界的全新視角。機器人不再是單純的機械工具，而是打開了穿越時空的窗口，讓我們能夠“親眼”看到已滅絕物種在曆史長河中的生活軌跡。
隨着技朮的不斷進步，未來的研究將更深入地揭示古生物與環境之間的復雜互動，甚至有可能為我們在保護現存物種、理解生態系統演變提供借鑒。這種跨學科的創新方式，預示着古生物學與現代科技的融合將會為人類打開全新的探索大門，賦予我們更強的能力去解鎖地球曆史中那些尚未解開的謎題。
