机器人技术如何让灭绝物种“复活”

（来源：MIT Technology Review）

古生物学家不会轻易被进化的 “死胡同” 或是稀少的化石记录所难倒。在过去几年里，他们研发出了一种全新的研究手段：制作史前动物的实验机器人模型，以实现 “时光倒流”进而深入探究史前动物。


科学家们表示，在没有活体样本的情况下，一个能够行走、飞行、游泳或蠕动的机器人，是研究已灭绝生物行为的最佳替代选择。对这些生物的运动方式了解得越多，就越能揭示它们生活的方方面面，比如历史分布范围和觅食习性。


数字模型在预测动物生物力学方面表现不俗，但在模拟复杂环境（如不平地面、松散地形和湍急水流）方面仍面临挑战。借助机器人，科学家们只需观察它在不同环境中的行为即可。“我们可以直接观察其行为，而无需纠结于模拟中的每一个细节。”柏林洪堡大学的进化生物学家 John Nyakatura 表示。


古生物学与机器人技术的结合，起源于更为成熟的仿生机器人学领域。在该领域中，科学家们会依据现代动物来设计机器人。然而，古生物机器人学家在设计机器人系统时面临着额外的难题，因为他们没有现存生物作为参考。


为了克服这一限制，他们从现代、后代或是不完整的化石记录等 “次优选项” 中提取信息。为确保研究方向正确，他们可能会尝试从现代动物群中总结出从进化树共同祖先分化而来的一般特征，也可能借助物理学原理，探寻动物最合理的运动方式。毕竟，生物在数百万年的时间里可能发生了巨大变化，但自然的基本定律却没有变。


现代技术的进步正推动古生物启发机器人学进入黄金时代。计算机辅助设计和 3D 打印等前沿制造技术，让研究人员能够快速制作出原型。新材料拓宽了机器人运动控制的途径，改进后的 3D 成像技术则使研究人员能够以前所未有的精度对化石进行数字化处理。


这些技术都有助于古生物机器人学家制造出更为逼真的机器人。与老一代机器人僵硬的动作不同，新一代机器人能够实现更接近真实动物的流畅运动。


如今，研究人员距离研究那些只有让灭绝动物“复活”才能探究的行为问题越来越近。“我们真的认为，这是一个尚未得到充分开发的领域，机器人技术能够为科学研究做出重要贡献。”英国剑桥大学的机器人专家 Michael Ishida 在其关于该领域的综述研究中写道。


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

2010 年代后期，John Nyakatura 致力于研究一种名为 Orobates pabsti 的已灭绝生物的步态。这种四肢动物生活在 2.8 亿年前，由于其生存年代早于哺乳动物和爬行动物的分化，实际上与这两个类群的最后一个共同祖先相关，因此充满了神秘色彩。John Nyakatura 在与一位机器人专家相遇后取得了突破，这位专家制作了一个以现代四足动物（蝾螈）为灵感的机器人。







（来源：MIT Technology Review）

这段合作源于一次偶然的交流，John Nyakatura 回忆道：“我们当时就是边喝啤酒边聊天。” 随后，团队在现有机器人蓝图的基础上进行调整，古生物学家向机器人专家提供化石的解剖参数用于机器人的构建，并将这个新发明命名为 OroBot。


OroBot 的尺寸比例参考了化石的 CT 扫描数据。研究人员使用现成的零件组装机器人，由于标准致动器（将能量转化为运动的装置）体积较大，他们不得不将 OroBot 的长度扩大到约 1.4 米，是其原始尺寸的两倍。







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此外，考虑到脚是结构复杂、难以复制的部位，有着广泛的运动范围和大量结缔软组织，团队为机器人配备了柔性垫来代替精确还原解剖结构的脚，这使得 OroBot 看起来像是穿着人字拖在行走。


不过，机器人的设计师在其他细节上花费了大量心思，比如其 3D 打印的人造骨头，不仅被涂成了红润的颜色，还带有骨质纹理，以更好地模仿原始化石。John Nyakatura 评价道：“你能看出工程师们真的很喜欢这个机器人，他们是发自内心地热爱它。”


OroBot 完成后，John Nyakatura 的团队将其放在跑步机上，观察它的爬行方式。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性，研究人员得出结论：Orobates 的行走方式可能类似于现代凯门鳄（鳄鱼的近亲），呈现出摇摆的步态。他表示，“我们认为找到了这种更先进的陆地运动方式的证据，比之前预计的时间提前了约 5000 万年，这改变了我们对早期四足动物进化方式的认知。”

菊石机器人

菊石是生活在恐龙时代的带壳头足类动物，与现代的鱿鱼、章鱼属于同一类别。如今，菊石仅存的谱系是鹦鹉螺，但菊石化石数量丰富，为研究菊石壳并构建机器人模型的研究人员提供了大量有价值的参考资料。







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2020 年至 2022 年期间，进化生物力学家 David Peterman 在犹他大学担任博士后研究员，他想要研究不同菊石壳的结构对其在水下运动的影响，简单来说，就是确认 “菊石是否能够游泳”。


仅从化石很难看出菊石在水生环境中的运动，它们可能是摇晃、缓慢移动，也可能是轻松游动。为了找到答案，他决定制作一个机器人进行实验。







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复制化石中菊石壳的大小和形状相对容易，但真正的挑战在于机器人接触水面时的表现。重量分布至关重要，不平衡的 “生物” 会在水中翻滚、摆动。为解决这一问题，彼得曼在机器人内部增加了配重，以平衡电池和喷气推进器的重量，同时还需考虑整体质量，确保机器人在水中既不会漂浮也不会下沉，达到中性浮力状态。


接下来便是有趣的环节，拥有不同大小外壳的机器人在大学奥林匹克标准游泳池中进行 “竞速比赛”，吸引了众多健身爱好者的目光。他发现，菊石需要在稳定性和机动性之间找到微妙的平衡，并不存在一种绝对最优的外壳结构。







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较窄的壳更稳定，能够在保持直立的同时破浪前行；较宽的壳则更灵活，但菊石需要消耗更多能量来保持直立。最终，研究团队得出结论：古代菊石所采用的外壳结构，与其独特的生活方式和游泳形式相适应，或者说这种外壳结构最终塑造了它们的生活方式和运动形式。

机器鱼

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 团队面临的难题。他们希望深入了解近 4 亿年前古代海洋动物是如何首次从海洋迁徙到陆地并学会行走的。


由于缺乏过渡化石，研究人员将目光转向了现代能够行走的鱼类。这些鱼类展示出了多种多样的 “步态”，比如肩章鲨用四鳍爬行，弹涂鱼在陆地上像蝴蝶一样划动。就像是“条条大路通罗马”，多种古代鱼类以不同的行走方式实现了从海洋到陆地的过渡。Michael Ishida 团队决定专注研究一种特定的 “步态”：塞内加尔多鳍鱼的半步半滑行。







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实际上，该团队制作的 “机器鱼” 与现存的塞内加尔多鳍鱼看起来并不相似。机器鱼的主体由刚性部件组成，而非柔软的柔性聚合物，这是一个简化版本，因为团队旨在寻找能让类似鱼类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’这个词可不好把握。” 但机器人实验能够帮助排除那些在物理上不太可能的情况。他还提到：“至少我们可以通过实验证明，凭借这种特殊的骨骼结构或关节形态，某种鱼有可能在陆地上行走。” 团队从模仿现代鱼开始，不断简化机器人，直到它无法再向前移动，这一过程就像是在进化时间线上 “逆向回溯”。


该团队希望能尽快在学术期刊上发表研究成果。即便在忙着撰写论文的过程中，Michael Ishida 也深知自己能够从事这项兼具未来主义和史前研究特色的工作是多么幸运。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

大约 4.5 亿年前，一种体型类似超大精子的棘皮动物在海底爬行。这种名为侧囊虫的生物早已灭绝，但其存在的证据仍保存在众多化石中。然而，它如何移动至今仍是个谜，因为没有现代动物与这个圆鼓鼓的小生物相似。







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卡内基梅隆大学的机械工程师 Carmel Majidi 一直在制作类似于海星和其他现代棘皮动物的机器人。随后，他的团队决定运用相同的技术，研究它们的远古祖先侧囊虫，试图解开其运动之谜。







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Carmel Majidi 团队借鉴了之前制作软机器人的经验。他提到：“我们面临的主要挑战是将驱动装置融入生物体中。” 侧囊虫的尾巴需要既柔韧，又能像真正的肌肉一样变硬。在尾部嵌入通常由坚硬材料制成的预制电机并不可行。最终，团队采用形状记忆合金进行制作，这种金属能够根据温度变形或保持形状。通过电刺激对尾部进行局部加热，科学家们就能让它弯曲和摆动。


研究人员测试了不同长度的尾巴对机器人整体运动的影响。Carmel Majidi 制作的 Rhombot 机器人和 2023 年发表的计算机模拟结果都表明，侧囊虫可能是通过左右摆动尾巴，以扫动的方式推动自己前进，其速度取决于尾巴的刚度和身体角度。







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研究团队还发现，拥有较长的尾巴（最长可达 60 厘米）更具优势，能够在不增加能耗的情况下提高运动速度，而这一结论也得到了化石记录的证实。接下来，研究人员计划在更多不同表面纹理（如泥泞地形）上测试 Rhombot 机器人。


Shi En Kim 是一位居住在华盛顿特区的自由科学作家。


原文链接：
https://www.technologyreview.com/2025/02/12/1111409/paleo-robots-extinct-prehistoric-animals/

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