ربات‌ها جان تازه‌ای به گونه‌های منقرض‌شده می‌بخشند
حوزۀ رباتیک الهام‌گرفته از فسیل‌ها راهی نوین برای سفر به گذشته و مطالعۀ موجودات ماقبل تاریخ گشوده است.
دیرینه‌شناسان به‌راحتی از بن‌بست‌های تکاملی یا کمبود فسیل‌ها دلسرد نمی‌شوند. اما در سال‌های اخیر، آن‌ها راهکاری نوین برای بازسازی گذشته و مطالعه‌ی موجودات منقرض‌شده یافته‌اند: ساخت مدل‌های رباتیک آزمایشی. در نبود نمونه‌های زنده، دانشمندان با ساخت ربات‌هایی که راه می‌روند، پرواز می‌کنند، شنا می‌کنند یا می‌خزند، سعی دارند رفتار این موجودات را بازسازی کنند. مطالعه‌ی نحوه‌ی حرکت آن‌ها می‌تواند اطلاعات ارزشمندی درباره‌ی سبک زندگی‌شان، از جمله زیستگاه‌ها و الگوهای تغذیه‌ای آن‌ها، ارائه دهد.
مدل‌های دیجیتال به‌خوبی می‌توانند بیومکانیک حیوانات را شبیه‌سازی کنند، اما بازسازی محیط‌های پیچیده‌ای مانند زمین‌های ناهموار، سطوح ناپایدار و آب‌های متلاطم همچنان چالش‌برانگیز است. اما با استفاده از ربات‌ها، دانشمندان می‌توانند رفتار آن‌ها را در محیط‌های واقعی مشاهده کنند. جان نیاکاتورا، زیست‌شناس تکاملی از دانشگاه هومبولت برلین، می‌گوید: «با ربات می‌توان عملکرد یک موجود را در شرایط واقعی بررسی کرد، بدون آنکه لازم باشد تمام جزئیات را مانند شبیه‌سازی‌های دیجیتال از قبل تعریف کنیم.»
پیوند علم دیرینه‌شناسی و رباتیک
تلاقی دیرینه‌شناسی و رباتیک ریشه در حوزه‌ی رباتیک الهام‌گرفته از زیست‌شناسی دارد؛ شاخه‌ای که در آن دانشمندان ربات‌هایی را بر اساس حیوانات امروزی طراحی می‌کنند. اما دیرینه‌رباتیک با چالش بزرگ‌تری روبه‌رو است: طراحی سیستم‌های رباتیکی برای موجوداتی که هیچ نمونه‌ی زنده‌ای از آن‌ها باقی نمانده است. پژوهشگران برای غلبه بر این محدودیت، از دو رویکرد استفاده می‌کنند:
۱. الگوگیری از نوادگان امروزی که به نوعی بازمانده‌ی آن گونه‌ی منقرض‌شده هستند.
2. تکیه بر اصول فیزیکی برای شبیه‌سازی محتمل‌ترین روش‌های حرکت آن موجود.
با اینکه میلیون‌ها سال از دوران حیات این موجودات گذشته، قوانین فیزیک ثابت مانده‌اند و می‌توان از آن‌ها برای بازسازی حرکت‌های طبیعی گونه‌های منقرض‌شده استفاده کرد.
عصر طلایی رباتیک الهام‌گرفته از فسیل‌ها
پیشرفت‌های فناورانه، این شاخه از علم را وارد عصر طلایی خود کرده‌اند. طراحی به کمک کامپیوتر (CAD) و چاپ سه‌بعدی امکان ساخت سریع نمونه‌های اولیه را فراهم کرده‌اند. همچنین، مواد جدید و فناوری‌های نوین کنترل حرکت، ربات‌هایی با حرکات روان‌تر و شبیه‌تر به حیوانات واقعی به ارمغان آورده‌اند. از سوی دیگر، تصویربرداری سه‌بعدی پیشرفته به دانشمندان اجازه می‌دهد فسیل‌ها را با دقتی بی‌نظیر اسکن و تحلیل کنند.
نتیجه‌ی این تحولات، ساخت ربات‌هایی است که برخلاف نسل‌های قدیمی‌تر، حرکاتشان دیگر مکانیکی و خشک نیست، بلکه به شکل قابل‌توجهی به حرکات موجودات زنده شباهت دارند. اکنون، پژوهشگران می‌توانند فراتر از شبیه‌سازی حرکت، پرسش‌های رفتاری این موجودات را نیز بررسی کنند—پرسش‌هایی که پاسخ آن‌ها تا پیش از این تنها با بازگرداندن این حیوانات به زندگی ممکن بود!
مایکل ایشیدا، رباتیک‌دان دانشگاه کمبریج، می‌گوید: «ما معتقدیم این حوزه، ظرفیت‌های ناشناخته‌ی زیادی دارد که می‌تواند کمک شایانی به علم کند.»
نمونه‌هایی از ربات‌های الهام‌گرفته از موجودات ماقبل تاریخ
اوروبات (OroBot)
در اواخر دهه‌ی ۲۰۱۰، جان نیاکاتورا در تلاش بود تا نحوه‌ی راه رفتن یک موجود منقرض‌شده به نام Orobates pabsti را بازسازی کند. این جانور چهاراندام که ۲۸۰ میلیون سال پیش روی زمین زندگی می‌کرد، همچنان برای دانشمندان معمایی بزرگ محسوب می‌شود. این موجود در دوره‌ای می‌زیست که پستانداران و خزندگان هنوز به‌طور کامل از یکدیگر متمایز نشده بودند و از نزدیکان آخرین نیای مشترک این دو گروه به‌شمار می‌رود.
نقطه‌ی عطف این پژوهش زمانی رقم خورد که نیاکاتورا با یک متخصص رباتیک آشنا شد که قبلاً مدلی از یک سمندر رباتیک ساخته بود. این آشنایی، که به‌طور تصادفی و طی یک گفت‌وگوی غیررسمی آغاز شد، جرقه‌ی یک همکاری علمی ارزشمند را زد.
پژوهشگران با استفاده از این مدل، ویژگی‌های آناتومیکی فسیل Orobates pabsti را در طراحی یک ربات جدید به کار گرفتند و حاصل این همکاری را اوروبات (OroBot) نام‌گذاری کردند. این ربات، که به‌طور ویژه برای بازسازی شیوه‌ی راه رفتن این موجود ماقبل تاریخ طراحی شده است، به دانشمندان امکان می‌دهد نحوه‌ی حرکت آن را در محیط‌های گوناگون آزمایش کنند و درک بهتری از زندگی آن در دوران ماقبل تاریخ به دست آورند.
اوروبات: رباتی که قدم در گذشته می‌گذارد
با خلاقیت تیم پژوهشی، اوروبات هنگام راه رفتن، حالتی شبیه به کسی دارد که با دمپایی لاانگشتی روی زمین قدم می‌زند! اما سازندگان این ربات، برای سایر جزئیات دقت و وسواس زیادی به خرج دادند. به‌عنوان مثال، استخوان‌های مصنوعی چاپ سه‌بعدی شده‌ی آن را با رنگی متمایل به قرمز و بافتی شبیه به استخوان‌های واقعی طراحی کردند تا شباهت بیشتری به فسیل اصلی داشته باشد. این انتخاب، گرچه از نظر علمی ضروری نبود، اما نشان از علاقه‌ی عمیق آن‌ها به پروژه داشت. نیاکاتورا می‌گوید:
"مشخص بود که مهندسان واقعاً به این ربات علاقه دارند. آن‌ها عملاً عاشق آن شده بودند."
پس از تکمیل اوروبات، پژوهشگران آن را روی یک تردمیل قرار دادند تا نحوه‌ی راه رفتنش را بررسی کنند. آن‌ها مصرف انرژی، پایداری در حرکت، و شباهت ردپاهای ربات به فسیل‌های به‌جا مانده را اندازه‌گیری کردند. نتایج نشان داد که Orobates pabsti احتمالاً حرکتی مشابه کایمن امروزی داشته است؛ کایمن‌ها از بستگان کوچک‌تر کروکودیل‌ها هستند. نیاکاتورا توضیح می‌دهد:
"ما شواهدی یافتیم که نشان می‌دهد این شیوه‌ی پیشرفته‌ی حرکت روی خشکی، حدود ۵۰ میلیون سال زودتر از آنچه قبلاً تصور می‌شد، تکامل یافته است. این یافته، درک ما از روند تکامل نخستین چهاراندامان را متحول می‌کند."
ربات‌های آمونیت: رمزگشایی از گذشته‌ی اعماق آب
آمونیت‌ها، سفالوپودهای صدف‌داری بودند که در دوران دایناسورها زندگی می‌کردند و از خویشاوندان ماهیان مرکب و اختاپوس‌های امروزی محسوب می‌شوند. امروزه تنها بازمانده‌ی آن‌ها ناتیلوس است، اما فسیل‌های آمونیت‌ها به‌وفور یافت می‌شوند و این امر امکان مطالعه‌ی ساختار پوسته‌ی آن‌ها و بازسازی مدل‌های رباتیک را فراهم می‌کند.
دیوید پیترمن، زیست‌مکانیک‌دان تکاملی، در دوران فوق دکتری خود در دانشگاه یوتا (۲۰۲۰ تا ۲۰۲۲) قصد داشت بررسی کند که ساختار صدف‌های آمونیت‌ها چگونه بر حرکت آن‌ها در آب تأثیر گذاشته است. او می‌خواست پاسخی روشن برای این پرسش پیدا کند:
"آیا آمونیت‌ها واقعاً قادر به شنا کردن بودند؟"
از روی فسیل‌ها نمی‌توان تشخیص داد که این موجودات چگونه در آب حرکت می‌کردند—آیا شناوری آن‌ها ناپایدار بود؟ کند حرکت می‌کردند؟ یا مانند شکارچیان ماهر، با سرعت در آب می‌لغزیدند؟ برای یافتن پاسخ، پیترمن یک ربات ساخت.
بازسازی حرکت آمونیت‌ها: چالش تعادل جرم و شناوری
بازسازی شکل و اندازه‌ی صدف از روی فسیل‌ها نسبتاً ساده است، اما چالش اصلی زمانی آغاز می‌شود که ربات وارد آب می‌شود. در اینجا، توزیع جرم اهمیت حیاتی دارد؛ اگر تعادل به‌درستی رعایت نشود، ربات در آب به‌طور نامنظم تکان می‌خورد. برای حل این مشکل، پیترمن وزنه‌های تعادلی داخلی را در طراحی ربات لحاظ کرد تا توزیع وزن متعادل شود—مثلاً برای جبران وزن باتری یا سیستم پیشران جت. در عین حال، او مجبور بود شناوری خنثی را رعایت کند، به‌طوری که ربات نه غرق شود و نه روی آب شناور بماند.
سپس نوبت به بخش جذاب پروژه رسید: مسابقه‌ی ربات‌های آمونیت در استخر المپیکی دانشگاه! این آزمایش‌ها، که توجه بسیاری از ورزشکاران حاضر در استخر را جلب کرد، نشان داد که طراحی پوسته‌ی آمونیت‌ها مستلزم تعادلی پیچیده میان پایداری و مانورپذیری بوده است.
هر آمونیت، صدف مخصوص خود را داشت
پیترمن و تیمش دریافتند که هیچ ساختار صدفی‌ای بر دیگری برتری مطلق نداشت:
✅ پوسته‌های باریک‌تر پایدارتر بودند و می‌توانستند در آب بدون واژگونی، با سرعت بیشتری حرکت کنند.
✅ پوسته‌های پهن‌تر چابک‌تر بودند، اما حفظ موقعیت عمودی آن‌ها نیاز به انرژی بیشتری داشت.
در نهایت، هر آمونیت بسته به سبک زندگی و روش شناگری خود، صدف مناسبش را تکامل داده بود—یا شاید هم، صدف آن‌ها بود که شیوه‌ی حرکتشان را شکل داده بود.
ربات‌هایی برای رمزگشایی از گذشته: از ماهیان مکانیکی تا موجودات منقرض‌شده
ربوفیش: کشف راز نخستین گام‌های موجودات دریایی روی خشکی
اگر فسیلی از یک موجود منقرض‌شده در دسترس نباشد، دانشمندان چگونه می‌توانند نحوه‌ی حرکت آن را بازسازی کنند؟ این همان چالشی بود که مایکل ایشیدا و تیمش با آن مواجه شدند. آن‌ها به دنبال درک این بودند که چگونه موجودات دریایی حدود ۴۰۰ میلیون سال پیش، برای نخستین بار به خشکی آمدند و راه رفتن را آموختند.
با نبود فسیل‌های گذار، تیم تحقیقاتی به بررسی ماهی‌هایی که امروزه قادر به حرکت روی خشکی هستند پرداخت. در میان این ماهیان، انواع روش‌های حرکتی دیده می‌شود؛ از خزیدن چهار‌باله‌ای کوسه‌ی اپولت گرفته تا حرکت پروانه‌ای گلخورک‌ها. این تنوع نشان می‌دهد که چندین گونه از ماهیان، به‌صورت مستقل، روش‌های متفاوتی برای راه رفتن تکامل داده‌اند. ایشیدا و همکارانش تصمیم گرفتند روی گام‌های نیمه‌لغزشی ماهی بیچر (Polypterus senegalus) تمرکز کنند.
البته، ربوفیش ساخته‌شده توسط این گروه، شباهتی به این ماهی ندارد. بدنه‌ی آن از قطعات صُلب تشکیل شده است، نه از مواد نرم و انعطاف‌پذیر. دلیل این طراحی ساده‌شده این است که پژوهشگران در جست‌وجوی حداقل ویژگی‌ها و حرکاتی بودند که یک موجود ماهی‌مانند را قادر به حرکت روی خشکی می‌کند. ایشیدا توضیح می‌دهد:
"کشف حداقل ویژگی‌ها کار آسانی نیست، اما آزمایش‌های رباتیک به ما کمک می‌کنند گزینه‌های غیرممکن را حذف کنیم. در نهایت، می‌توانیم شواهدی ارائه دهیم که نشان دهد با این ساختار استخوانی یا این نوع مفصل، یک ماهی احتمالاً قادر به راه رفتن روی خشکی بوده است."
بازسازی تکامل با حذف تدریجی ویژگی‌ها
این گروه ابتدا رباتی با ساختاری نزدیک به ماهی‌های مدرن ساختند و سپس آن را تدریجاً ساده‌تر کردند تا به نقطه‌ای برسند که دیگر قادر به حرکت نباشد. این فرآیند، مشابه بازگشت در مسیر تکامل بود.
در حال حاضر، تیم ایشیدا در حال آماده‌سازی نتایج خود برای انتشار در یک ژورنال علمی است. با این حال، او همچنان از کار خود شگفت‌زده است:
"برای هر کودکی، ساختن ربات‌ها و مطالعه‌ی دایناسورها یک رؤیاست. من هر روز این دو را با هم انجام می‌دهم!"
رُومبات: بازسازی حرکت یک موجود منقرض‌شده
حدود ۴۵۰ میلیون سال پیش، موجودی از شاخه‌ی خارپوستان که ظاهری شبیه به یک اسپرم غول‌پیکر داشت، در کف دریا حرکت می‌کرد. این موجود که پلوروکستی‌تید نام دارد، مدت‌هاست که منقرض شده، اما ردپای آن در میان فسیل‌ها باقی مانده است. چالش اصلی اینجاست که هیچ جانور زنده‌ای شبیه به آن نیست، بنابراین بازسازی نحوه‌ی حرکتش دشوار است.
کارمل مجیدی، مهندس مکانیک در دانشگاه کارنگی ملون، که پیش‌تر ربات‌هایی الهام‌گرفته از خارپوستان امروزی، مانند ستاره‌های دریایی، ساخته بود، تصمیم گرفت مهارت‌های خود را برای مطالعه‌ی پلوروکستی‌تیدها به کار بگیرد و راز حرکت آن‌ها را کشف کند.
چالش طراحی ساختاری انعطاف‌پذیر و کنترل‌شونده
مجیدی و تیمش، برای حل چالش طراحی، از فناوری ربات‌های نرم استفاده کردند. او توضیح می‌دهد:
"بزرگ‌ترین چالش ما، شبیه‌سازی حرکت این موجود بود. دم آن باید انعطاف‌پذیر باشد اما در لحظه‌ی مناسب سفت شود، درست مانند یک ماهیچه‌ی واقعی."
موتورهای مکانیکی سنتی، که معمولاً صُلب هستند، گزینه‌ی مناسبی نبودند. در نهایت، تیم پژوهشی از آلیاژهای حافظه‌دار شکلی استفاده کرد—فلزی که با تغییر دما، می‌تواند شکل خود را تغییر داده یا حفظ کند. با تحریک الکتریکی و کنترل حرارت، آن‌ها توانستند دم ربات را به حرکاتی مشابه ضربه‌های جانبی پلوروکستی‌تیدها وادار کنند.
تأیید یافته‌ها با ربات و شبیه‌سازی‌های کامپیوتری
نتایج به‌دست‌آمده از رومبات و شبیه‌سازی‌های کامپیوتری، که در سال ۲۰۲۳ منتشر شد، نشان داد که پلوروکستی‌تیدها با حرکت دادن دم خود به طرفین، نیروی پیشرانه تولید می‌کردند. همچنین، مشخص شد که سرعت آن‌ها به زاویه‌ی بدن و میزان سختی دم بستگی داشت.
تیم تحقیقاتی دریافت که دم‌های بلندتر (حدود ۲۰ سانتی‌متر) کارایی بیشتری داشتند؛ چرا که بدون افزایش مصرف انرژی، سرعت را بالا می‌بردند. بررسی‌های فسیلی نیز این روند تکاملی را تأیید کردند.
آینده‌ی پژوهش: آزمایش روی سطوح مختلف
در گام بعدی، پژوهشگران قصد دارند رومبات را روی سطوح مختلف، از جمله زمین‌های گل‌آلود، آزمایش کنند تا درک بهتری از نحوه‌ی حرکت پلوروکستی‌تیدها در شرایط طبیعی به دست آورند.
Credit: "Robots are bringing new life to extinct species" By Shi En Kim, published in MIT Technology Review.
Read full article here: https://www.technologyreview.com/2025/02/12/1111409/paleo-robots-extinct-prehistoric-animals/
