روبات‌ها جان تازه‌ای به گونه‌های منقرض‌شده می‌بخشند

دیرینه‌شناسان به راحتی با بن‌بست‌های تکاملی یا سوابق فسیلی پراکنده دلسرد نمی‌شوند. اما در چند سال اخیر، ترفند جدیدی برای برگرداندن زمان و مطالعه جانوران ماقبل تاریخ ابداع کرده‌اند: ساخت مدل‌های رباتیک تجربی از آن‌ها. دانشمندان می‌گویند در غیاب یک نمونه زنده، یک خودکار پرسه زن، پرنده، شناگر یا خزنده، بهترین چیز بعدی برای مطالعه رفتار موجودات منقرض‌شده است. یادگیری بیشتر در مورد نحوه حرکت آن‌ها می‌تواند به نوبه خود جنبه‌هایی از زندگی آن‌ها، مانند محدوده‌های تاریخی و عادات غذایی آن‌ها را روشن کند.

مدل‌های دیجیتال در حال حاضر کار مناسبی را در پیش‌بینی بیومکانیک حیوانات انجام می‌دهند، اما مدل‌سازی محیط‌های پیچیده مانند سطوح ناهموار، زمین‌های سست و آب متلاطم چالش‌برانگیز است. با یک روبات، دانشمندان می‌توانند به سادگی بنشینند و رفتار آن را در محیط‌های مختلف تماشا کنند. جان نیاکاتورا، زیست‌شناس تکاملی در دانشگاه هومبولت برلین، می‌گوید: «ما می‌توانیم عملکرد آن را بدون نیاز به فکر کردن به تمام جزئیات، [همانطور که] در شبیه‌سازی است، ببینیم.»

اتحاد دیرینه‌شناسی و روبات‌ها ریشه در حوزه تثبیت‌شده‌تر رباتیک الهام‌گرفته از زیستی دارد که در آن دانشمندان روبات‌هایی را بر اساس حیوانات مدرن می‌سازند. با این حال، دیرینه-روبات‌شناسان با پیچیدگی مضاعف طراحی سیستم‌های رباتیکی مواجه هستند که هیچ مرجع زنده‌ای برای آن‌ها وجود ندارد. آن‌ها با انتزاع از بهترین گزینه بعدی، مانند یک نواده مدرن یا یک رکورد فسیلی ناقص، بر این محدودیت غلبه می‌کنند. برای کمک به اطمینان از اینکه در مسیر درستی قرار دارند، ممکن است سعی کنند ویژگی‌های کلی را از جانوران مدرنی که از یک جد مشترک در درخت تکاملی منشعب شده‌اند، استخراج کنند. یا ممکن است به فیزیک خوب قدیمی روی بیاورند تا به محتمل‌ترین راه‌هایی که یک حیوان حرکت می‌کرد، دست یابند. زیست‌شناسی ممکن است در طول میلیون‌ها سال تغییر کرده باشد. قوانین اساسی طبیعت چندان تغییری نکرده‌اند.

پیشرفت‌های تکنولوژیکی مدرن، رباتیک الهام‌گرفته از دیرینه‌شناسی را به یک عصر طلایی سوق می‌دهد. طراحی به کمک کامپیوتر و تکنیک‌های ساخت پیشرفته مانند چاپ سه‌بعدی به محققان اجازه می‌دهد تا به سرعت نمونه‌های اولیه را تولید کنند. مواد جدید راه‌های کنترل حرکت در یک خودکار را گسترش می‌دهند. و فناوری تصویربرداری سه‌بعدی بهبودیافته، محققان را قادر ساخته است تا فسیل‌ها را با جزئیات بی‌سابقه‌ای دیجیتالی کنند.

همه این‌ها به دیرینه-روبات‌شناسان کمک می‌کند تا روبات‌های واقعی‌تری بسازند—روبات‌هایی که می‌توانند بهتر به حرکت سیال مرتبط با حیوانات زنده و تنفس‌کننده دست یابند، برخلاف حرکات تصنعی که در نسل‌های قدیمی‌تر روبات‌ها دیده می‌شود. اکنون، محققان به مطالعه انواع سؤالات رفتاری که فقط با زنده کردن حیوانات منقرض‌شده—یا چیزی شبیه به آن—قابل بررسی هستند، نزدیک‌تر می‌شوند. مایکل ایشیدا، ربات‌شناس در دانشگاه کمبریج در بریتانیا که یک مطالعه مروری در این زمینه نوشته است، می‌گوید: «ما واقعاً فکر می‌کنیم که این یک حوزه کاوش‌نشده برای رباتیک است تا واقعاً به علم کمک کند.»

در اینجا چهار نمونه از روبات‌هایی آورده شده است که به روشن شدن موجودات دوران گذشته کمک می‌کنند.

در اواخر دهه 2010، جان نیاکاتورا در حال مطالعه نحوه راه رفتن موجودی منقرض‌شده به نام Orobates pabsti بود. این حیوان چهاراندام، که 280 میلیون سال پیش روی زمین پرسه می‌زد، تا حد زیادی یک راز است—به زمانی برمی‌گردد که قبل از اینکه پستانداران و خزندگان تکامل یابند و در واقع مربوط به آخرین جد مشترک این دو گروه بود. یک پیشرفت زمانی حاصل شد که نیاکاتورا با یک ربات‌شناس ملاقات کرد که خودکاری را ساخته بود که از یک چهارپای مدرن—یک سمندر—الهام گرفته شده بود. این رابطه به همان شکلی آغاز شد که بسیاری از همکاری‌های تصادفی انجام می‌دهند: نیاکاتورا می‌گوید: «ما فقط در مورد آبجو صحبت کردیم». این تیم طرح روبات موجود را اقتباس کرد و دیرینه‌شناسان مشخصات تشریحی فسیل را به ربات‌شناسان دادند تا روی آن بسازند. محققان ساخته خود را OroBot نامیدند.

SEBASTIAN VOIGT/URWELTMUSEUM GEOSKOP THALLICHTENBERG

THOMAS MARTENS/MUSEUM DER NATUR GOTHA

نسبت‌های OroBot از اسکن‌های CT فسیل‌ها گرفته شده است. محققان از قطعات آماده برای سرهم‌بندی خودکار استفاده کردند. اندازه‌های بزرگ محرک‌های استاندارد، دستگاه‌هایی که انرژی را به حرکت تبدیل می‌کنند، به این معنی بود که آن‌ها مجبور بودند OroBot را تا حدود یک و نیم یارد (1.4 متر) در طول، دو برابر اندازه اصلی، مقیاس‌بندی کنند. آن‌ها همچنین ربات را به جای پاهای دقیق از نظر تشریحی، به پدهای انعطاف‌پذیر برای آج مجهز کردند. پاها ساختارهای پیچیده بدنی هستند که تکثیر آن‌ها یک کابوس است: آن‌ها دامنه حرکتی گسترده‌ای دارند و بافت نرم همبند زیادی دارند.

ALESSANDRO CRESPI/EPFL LAUSANNE

به لطف میانبر خلاقانه تیم، OroBot طوری به نظر می‌رسد که انگار در دمپایی راه می‌رود. اما طراحان ربات زحمت کشیدند تا جزئیات دیگر را دقیقاً به دست آورند، از جمله استخوان‌های مصنوعی چاپ سه‌بعدی آن، که به رنگ قرمز رنگ شده بودند و بافتی استخوانی به آن‌ها داده شده بود تا بیشتر از فسیل اصلی تقلید کنند. این یک انتخاب طراحی غیرضروری از نظر علمی بود، اما یک کار عاشقانه بود. نیاکاتورا گفت: «می‌توانید بگویید که مهندسان واقعاً این ربات را دوست داشتند. آن‌ها واقعاً عاشق آن شدند.»

پس از اتمام OroBot، تیم نیاکاتورا آن را روی تردمیل قرار داد تا ببیند چگونه راه می‌رود. محققان پس از اندازه‌گیری مصرف انرژی ربات، ثبات آن در حرکت و شباهت ردپاهای آن به ردپاهای فسیلی، به این نتیجه رسیدند که Orobates احتمالاً مانند یک کیمن مدرن، پسرعموی بسیار کوچک‌تر تمساح، راه می‌رفته است. نیاکاتورا می‌گوید: «ما فکر می‌کنیم شواهدی برای این حرکت زمینی پیشرفته‌تر پیدا کرده‌ایم که حدود 50 میلیون سال زودتر از آنچه قبلاً انتظار می‌رفت، وجود داشته است. این مفهوم ما را از نحوه تکامل اولیه چهارپایان تغییر می‌دهد.»

آمونیت‌ها سفالوپودهای دارای پوسته—رده جانوری که شامل ماهی‌های مرکب و اختاپوس‌های مدرن می‌شود—بودند که در عصر دایناسورها زندگی می‌کردند. تنها دودمان آمونیتی که امروزه زنده مانده است، ناتیلوس است. با این حال، فسیل‌های آمونیت‌ها فراوان هستند، به این معنی که مراجع خوبی برای محققان علاقه‌مند به مطالعه پوسته‌های آن‌ها—و ساخت مدل‌های رباتیک—وجود دارد.

PETERMAN, D.J., RITTERBUSH, K.A., CIAMPAGLIO, C.N., JOHNSON, E.H., INOUE, S., MIKAMI, T., AND LINN, T.J. 2021. “BUOYANCY CONTROL IN AMMONOID CEPHALOPODS REFINED BY COMPLEX INTERNAL SHELL ARCHITECTURE.” SCIENTIFIC REPORTS 11:90

هنگامی که دیوید پترمن، یک زیست‌مکانیک تکاملی، از سال 2020 تا 2022، به عنوان یک محقق فوق دکترا در دانشگاه یوتا بود، می‌خواست مطالعه کند که چگونه ساختارهای پوسته‌های مختلف آمونیت بر حرکت زیر آب صاحبان آن‌ها تأثیر می‌گذارد. به بیان ساده‌تر، او می‌خواست تأیید کند که «آیا [آمونیت‌ها] قادر به شنا کردن بودند یا خیر». او می‌گوید: از خود فسیل‌ها مشخص نیست که این آمونیت‌ها در محیط‌های آبی چگونه عمل می‌کردند—آیا به طور غیرقابل کنترلی تکان می‌خوردند، به آرامی حرکت می‌کردند یا با سهولت در اطراف می‌چرخیدند. پترمن برای یافتن پاسخ به این سوال، نیاز به ساخت یک روبات داشت.

PETERMAN, D.J., AND RITTERBUSH, K.A. 2022. “RESURRECTING EXTINCT CEPHALOPODS WITH BIOMIMETIC ROBOTS TO EXPLORE HYDRODYNAMIC STABILITY, MANEUVERABILITY, AND PHYSICAL CONSTRAINTS ON LIFE HABITS.” SCIENTIFIC REPORTS 12: 11287

کپی کردن اندازه و شکل پوسته از فسیل‌ها ساده است، اما آزمایش واقعی زمانی فرا می‌رسد که روبات به آب می‌رسد. توزیع جرم همه چیز است. یک موجود نامتعادل می‌افتد و به اطراف می‌رود. برای جلوگیری از این مشکل، پترمن وزنه‌های تعادلی داخلی را برای جبران یک باتری در اینجا یا یک جت رانشگر در آنجا اضافه کرد. در همان زمان، او مجبور بود جرم کل را برای دستیابی به شناوری خنثی محاسبه کند، به طوری که روبات در آب نه شناور شود و نه غرق شود.

DAVID PETERMAN

سپس قسمت سرگرم‌کننده فرا رسید—روبات‌هایی با اندازه‌های مختلف پوسته در استخر شنای المپیکی دانشگاه مسابقات درگ را برگزار کردند و کنجکاوی سایر ورزشکاران را برانگیختند. پترمن دریافت که پوسته‌ها باید تعادل ظریفی از ثبات و مانورپذیری را ایجاد کنند. تیم به این نتیجه رسید که هیچ ساختار واحدی بهترین نیست. پوسته‌های باریک‌تر پایدارتر بودند و می‌توانستند در حالی که ایستاده بودند، آب را برش دهند. صدف‌هایی که پهن‌تر بودند چابک‌تر بودند، اما آمونیت‌ها برای حفظ عمودی بودن خود به انرژی بیشتری نیاز داشتند. پوسته‌ای که یک آمونیت باستانی اتخاذ کرد، پوسته‌ای بود که متناسب با سبک زندگی و فرم شنای خاص آن بود یا در نهایت آن را شکل داد.

MICHAEL ISHIDA, FIDJI BERIO, VALENTINA DI SANTO, NEIL H. SHUBIN AND FUMIYA IIDA

چه می‌شود اگر ربات‌شناسان هیچ مرجع فسیلی نداشته باشند؟ این معمایی بود که تیم مایکل ایشیدا با آن روبرو شد، که می‌خواستند بهتر بفهمند که چگونه جانوران دریایی باستانی برای اولین بار حدود 400 میلیون سال پیش از دریا به خشکی منتقل شدند و راه رفتن را یاد گرفتند.

محققان در غیاب فسیل‌های انتقالی، به ماهی‌های متحرک مدرن نگاه کردند. انواع مختلفی از حرکات راه رفتن در میان این قدم‌زنان پوسته‌دار به نمایش گذاشته شده است—چهار دست و پای کوسه اپولت، سکته پروانه‌ای زمینی یک ماهی گل‌خورک. مانند جاده‌های همگرا در رم، چندین ماهی باستانی به طور مستقل به روش‌های مختلفی برای راه رفتن رسیده‌اند. گروه ایشیدا تصمیم گرفتند روی یک راه رفتن خاص تمرکز کنند: نیمه گام، نیمه سر خوردن بیخیر Polypterus senegalus.

مسلماً، «robofish» تیم هیچ شباهتی به بیخیر زنده ندارد. بدن از قطعات صلب به جای یک پلیمر نرم و انعطاف‌پذیر تشکیل شده است. این یک نسخه به شدت رقیق‌شده است، زیرا تیم به دنبال حداقل مجموعه‌ای از ویژگی‌ها و حرکاتی است که ممکن است به یک موجود ماهی‌مانند اجازه دهد با زائده‌های خود به جلو حرکت کند. ایشیدا می‌گوید: «"حداقل" یک کلمه فریبنده است. اما آزمایش‌های رباتیک می‌توانند به رد کردن موارد غیرمحتمل از نظر فیزیکی کمک کنند: «ما حداقل می‌توانیم شواهدی داشته باشیم که بگوییم، بله، با این ساختار استخوانی خاص، یا با این مورفولوژی مفصلی خاص، [یک ماهی] احتمالاً قادر به راه رفتن روی خشکی بوده است.» این تیم با شروع با ساخت یک ماهی مدرن، روبات را بیشتر و بیشتر ساده کردند تا دیگر نتواند بیرون بیاید. این معادل کار کردن به عقب در جدول زمانی تکاملی بود.

این تیم امیدوار است که نتایج خود را به زودی در یک مجله منتشر کند. حتی در عجله برای نهایی کردن نسخه خطی، ایشیدا هنوز تشخیص می‌دهد که چقدر خوش شانس است که کاری را انجام می‌دهد که همزمان آینده‌نگرانه و ماقبل تاریخی است. او می‌گوید: «ساخت روبات و مطالعه دایناسورها رویای هر بچه‌ای است. هر روز، او هر دو کار را انجام می‌دهد.»

تقریباً 450 میلیون سال پیش، یک خارپوست با ساختاری شبیه به یک اسپرم غول‌پیکر، در سراسر بستر دریا می‌لنگید. دودمان آن موجود، پلوروکیستیتید، مدت‌هاست که از بین رفته است، اما شواهدی از وجود آن در میان فسیل‌های متعدد منجمد شده است. با این حال، نحوه حرکت آن، حدس هر کسی است، زیرا هیچ حیوان امروزی شبیه این موجود پیازی شکل نیست.

CARNEGIE MELLON UNIVERSITY

کارمل مجیدی، یک مهندس مکانیک در دانشگاه کارنگی ملون، در حال حاضر روبات‌هایی را به شباهت ستاره دریایی و سایر خارپوستان امروزی می‌سازد. سپس تیم او تصمیم گرفت تا از همان مهارت‌ها برای مطالعه سلف پلوروکیستیتید آن‌ها استفاده کند تا راز حرکت آن را باز کند.

CARNEGIE MELLON UNIVERSITY

تیم مجیدی از یک ترفند از تلاش‌های قبلی برای ساخت روبات‌های نرم استفاده کرد. او می‌گوید: «چالش اصلی برای ما ادغام محرک در ارگانیسم بود.» ساقه یا دم باید انعطاف‌پذیر باشد، اما در صورت دستور، مانند عضله واقعی سفت شود. جاسازی موتورهای از پیش ساخته‌شده، که معمولاً از مواد سفت ساخته می‌شوند، در دم کارساز نبود. در پایان، تیم مجیدی زائده را از آلیاژ حافظه‌دار شکلی ساخت، نوعی فلز که بسته به دما تغییر شکل می‌دهد یا شکل خود را حفظ می‌کند. دانشمندان با رساندن گرمایش موضعی در امتداد دم از طریق تحریک الکتریکی، می‌توانستند آن را خم کرده و تکان دهند.

CARNEGIE MELLON UNIVERSITY

هم Rhombot حاصل از مجیدی و هم شبیه‌سازی‌های کامپیوتری، که در سال 2023 منتشر شد، نشان دادند که پلوروکیستیتیدها احتمالاً دم‌های خود را به صورت جارویی از این طرف به آن طرف می‌زنند تا خود را به جلو برانند و سرعت آن‌ها به سفتی دم و زاویه بدن بستگی دارد. این تیم دریافت که داشتن یک ساقه بلندتر—تا دو سوم فوت طول—مفید است و بدون تحمیل هزینه‌های انرژی بالاتر، سرعت را افزایش می‌دهد. در واقع، سوابق فسیلی این روند تکاملی را تأیید می‌کند. در آینده، محققان قصد دارند Rhombot را روی بافت‌های سطحی بیشتری مانند زمین‌های گلی آزمایش کنند.

Shi En Kim یک نویسنده علمی مستقل است که در واشنگتن دی سی مستقر است.