機器人重現漫步中的古生物

機器人重現漫步中的古生物
編譯／葉姝涵

羊膜動物（amniote）的出現是地球生物演化的一個里程碑，這些動物可以終其一生在陸地上成長，不再如兩棲類須經過水生幼體的過度階段。在德國發現的Orobates pabsti是目前已知最早的羊膜動物之一，其化石保存完整，外型似小型犬。近日考古學家利用電腦模擬與機器人，重現三億年前其在地表漫步的姿態。

對於已滅絕動物的生物，考古學家能了解該生物運動方式的方法相對單一：或藉由骨骼化石結構或足跡化石的分析，或直接以實體機器人模擬。但前者可能高估關節的運動範圍，也忽略了能量消耗和運動時質心偏移等現象的限制；後者則容易忽略解剖學上的限制，並且針對現有物種的研究發現，擁有不同解剖學結構的物種也可能有類似的運動特徵。

反向工程

德國洪堡大學（Humboldt University）的研究人員則試圖綜合以上兩種方法，截長補短。

他們首先利用O. pabsti的電腦斷層資料建立數位三維骨骼模型，進行「運動力學模擬」（kinematic simulation），以確定四肢關節的可活動角度與範圍；而後的「動態模擬」（dynamic simulation）則再加入如重力、摩擦力與平衡等可能影響生物運動的因子。同時，他們也參酌其他四足爬行動物的運動方式，將現存如蠑螈（salamanders）、石龍子（skinks）、鬃蜥（iguanas）與凱門鱷（caimans）等近似物種的運動模式納入考量。

圖一、研究中所使用的電腦模擬程式。採互動式介面，讀者可自行調整參數，直接觀察O. pabsti運動姿態的改變。右側為運動力學模擬的參數；左側為動態模擬參數。（來源：OroBOT project）

重現物種運動方式的演化

最後，研究團隊依據這些模擬數據創造了名為「OroBOT」 的四足機器人，來實際演示O. pabsti當時在地表爬行的姿態。最終依據能量消耗、平衡以及與足跡化石的一致性等面向逐一篩選，由512 種可能的運動類型中，推估：O. pabsti運動時，腹部遠離地面，少有如蠑螈的側向動作，步伐也相對穩定。是屬於晚期四足類生物較進階的運動方式，能減少所需消耗的能量。

這項研究的創新之處，在於考古學家可以結合舊有的研究策略，由化石、電腦模擬到實體機器人，盡可能地忠實重現古生物的運動方式。除了早期完全陸生生物O. pabsti外，同樣的方法也可用於釐清其他生物運動方式的演化，如鳥類主動飛行的能力、人類的雙足運動，或海洋哺乳動物由陸地回歸海洋的過程。對於考古生物學家而言，無疑是一項令人振奮的創新。

編譯來源

C. Gramling, “A four-legged robots hints at how ancient tetrapods walked“, Science News, 2019.

參考資料

J.A. Nyakatura, K. Melo, T. Horvat, K. Karakasiliotis, V.R. Allen, A. Andikfar, E. Andrada, P. Arnold, J. Lauströer, J.R. Hutchinson, M.S. Fischer & A.J. Ijspeert, “Reverse-engineering the locomotion of a stem amniote“, Nature 565, 351–355, 2019.

(本文由教育部補助「AI報報─AI科普推廣計畫」執行團隊編譯)