Một Robot Giống Như Cá Sấu Giúp Giải Một Bí Ẩn 300 Triệu Năm

Gần 300 triệu năm trước, một sinh vật tò mò được gọi là Orobates pabsti bước trên đất đai. Các loài động vật chỉ mới bắt đầu tự kéo mình ra khỏi nước và khám phá thế giới khô ráo lớn, và đây là loài tetrapod ăn thực vật Orobates, tiến lên bằng bốn chân. Những nhà khảo cổ biết rằng nó đã làm như vậy vì có một hóa thạch được bảo quản rất tốt, có bốn chân. Và may mắn thay, các nhà khoa học cũng phát hiện ra những dấu chân hóa thạch, hoặc đường đi, để so khớp.

Giả định là Orobates—một họ hàng của dòng amniote, bao gồm cả động vật có vú và bò sát ngày nay—và các tetrapod sớm khác chưa phát triển ra một bước đi 'nâng cao', thay vào đó, kéo mình đi như lạc đà. Nhưng hôm nay, trong một bài báo nhiều lĩnh vực tại Nature, các nhà nghiên cứu chi tiết cách họ kết hợp khảo cổ học, sinh cơ học, mô phỏng máy tính, biểu diễn thực tế của động vật, và thậm chí cả một robot Orobates để xác định rằng sinh vật cổ điển này có thể đã đi bộ một cách nâng cao hơn so với những gì trước đây được tin là có thể. Điều này có ý nghĩa lớn đối với việc hiểu cách chuyển động phát triển trên đất liền, chưa kể cách các nhà khoa học nghiên cứu cách các loài động vật tuyệt chủng của mọi loại di chuyển.

Nếu chỉ nhìn riêng một bộ xương hóa thạch hoặc đường đi hóa thạch không đủ để biết cách một loài động vật di chuyển. 'Dấu chân chỉ cho bạn biết chân của họ đang làm gì,' như sinh cơ học John Hutchinson tại Royal Veterinary College, đồng tác giả trên bài báo mới, nói, 'vì có quá nhiều độ tự do, hoặc cách một khớp có thể di chuyển.' Con người, cuối cùng, chia sẻ một giải phẫu nhưng có thể quản lý nhiều cách đi bộ ngốc nghếch với cùng một thiết bị.

Nếu không có dấu chân, các nhà nghiên cứu sẽ không thể nói chắc chắn được cách bộ xương hóa thạch di chuyển. Và nếu không có xương hóa thạch, họ sẽ không thể hoàn toàn phân giải dấu chân. Nhưng với cả hai, họ có thể tính toán hàng trăm cách điều chỉnh có thể của Orobates, từ cách đi chéo bụng ít phức tạp của một loại thằn lằn đến tư thế cao cấp hơn của một con cá sấu chạy trên đất.

Sau đó, họ sử dụng mô phỏng máy tính để đùa giỡn với các thông số, như cột sống uốn cong như thế nào khi động vật di chuyển. 'Mô phỏng cơ bản cho chúng tôi biết các lực tác động lên động vật, và đưa ra một số ước lượng về cách cơ học của động vật có thể đã hoạt động tổng thể,' Hutchinson nói.

Thực sự, bạn có thể đùa giỡn với các thông số này bằng chính trải nghiệm tương tác tuyệt vời mà nhóm nghiên cứu đã tạo ra. Nghiêm túc, nhấp vào đó và chơi cùng tôi.

Các điểm trên biểu đồ ba chiều là cách điều chỉnh có thể. Dots màu xanh lam đạt điểm số cao, và dots màu đỏ đạt điểm số thấp. Nhấp đúp vào một điểm và dưới đây bạn sẽ thấy cách điều chỉnh cụ thể đó hoạt động trong mô phỏng. Bạn sẽ nhận thấy rằng các điểm đỏ tạo ra cách điều chỉnh trông hơi... không thoải mái. Dots màu xanh lam đậm, tuy nhiên, trông giống như một cách di chuyển hợp lý hơn cho một loài tetrapod. Ở phía dưới, bạn sẽ thấy video của các loài hiện đại như iguana và caiman (một loại cá sấu nhỏ). Quan sát những loài này đã giúp các nhà nghiên cứu xác định những yếu tố sinh cơ học quan trọng, như cột sống uốn cong như thế nào.

Một số tham số khác: Các thanh trượt bên trái cho bạn có thể điều chỉnh những thứ như chi phí năng lượng. Trượt nó sang phải và bạn sẽ thấy những điểm xanh tốt biến mất.

Đây là nơi mọi thứ trở nên phức tạp, tuy nhiên. Hiệu suất năng lượng là chìa khóa để sống sót, tất nhiên, nhưng đó không phải là hạn chế duy nhất trong sinh cơ học. 'Không phải tất cả các loài động vật đều tối ưu hóa cho năng lượng, đặc biệt là các loài chỉ sử dụng những cú chạy ngắn,' như nhà sinh học tiến hóa John Nyakatura của Đại học Humboldt Berlin, tác giả chính của bài báo, nói. 'Rõ ràng, đối với các loài di chuyển xa, hiệu suất năng lượng rất quan trọng. Nhưng đối với các loài khác, có thể không quan trọng.'

Yếu tố khác là một thứ gọi là va chạm xương (đó là một cái tên thật tuyệt cho một ban nhạc kim loại). Khi bạn tổ chức một bộ xương hóa thạch, bạn không biết được có bao nhiêu sụn bao quanh khớp, vì thứ đó đã mục nát cách đây rất lâu. Và các loại động vật khác nhau có lượng sụn khác nhau.

Vì vậy, đó là một điều lớn không biết với Orobates. Trong tương tác, bạn có thể điều chỉnh va chạm xương lên và xuống bằng thanh trượt ở bên trái. 'Bạn có thể cho phép xương va chạm tự do hoặc chỉ chạm nhẹ,' Hutchinson nói. 'Hoặc bạn có thể tăng lên mức 4 và không cho phép va chạm nào, điều này lý thuyết nói rằng phải có một khoảng trống đáng kể giữa các khớp.' Lưu ý cách đó thay đổi các điểm trên biểu đồ: Bạn ngăn chặn va chạm càng nhiều, càng ít cách điều chỉnh tiềm năng. 'Trong khi nếu bạn cho phép nhiều va chạm, chỉ có nhiều khả năng cho chân di chuyển.'

Bây giờ, là robot. Nhóm thiết kế OroBOT để tương đồng chặt chẽ với giải phẫu của Orobates. Tất nhiên, nó được đơn giản hóa từ sinh học thuần túy, nhưng nó vẫn phức tạp đối với robot. Mỗi chân được tạo thành từ năm khớp có thể hoạt động ('actuators' là thuật ngữ robot học chuyên sâu cho động cơ), trong khi cột sống có tám khớp có thể hoạt động để uốn cong đi lại. Trong tương tác, bạn có thể chơi với mức uốn cong của cột sống bằng thanh trượt ở bên trái, và xem cách điều đó thay đổi chuyển động một cách đột ngột. Ngoài ra, hãy nhìn vào video của cá sấu để xem cột sống của nó uốn cong như thế nào khi nó di chuyển.

Đẹp của mô phỏng là bạn có thể chạy nhanh chóng nhiều cách di chuyển khác nhau. Nhưng không phải với một robot. 'Chạy quá nhiều thí nghiệm trên nền tảng vật lý tốn khá nhiều thời gian, và bạn cũng có thể làm hỏng nền tảng,' như Kamilo Melo, cộng tác viên và chuyên gia robot học của Viện Công nghệ Lausanne thuộc Viện Công nghệ Thụy Sĩ, nói. Chạy mô phỏng giúp rút ngắn danh sách.

'Cuối cùng chúng tôi có một số cách điều chỉnh chúng tôi biết là khá tốt, và đó là loại cách điều chỉnh chúng tôi thực sự kiểm tra với robot thực tế,' Melo thêm.

Những gì họ phát hiện là, dựa trên giải phẫu xương và dấu chân khớp, có khả năng là Orobates đã đi bộ khá thẳng đứng, giống như cá sấu hơn là một loài thằn lằn. 'Trước đây, người ta đã giả định rằng chỉ có amniote mới tiến hóa cách di chuyển trên cạn tiên tiến này,' Nyakatura nói. 'Việc nó hiện diện sẵn có trong Orobates chứng tỏ rằng chúng ta phải giả định rằng đa dạng chuyển động đã hiện diện sớm hơn một chút.' Một xác nhận quan trọng từ dấu chân: Không có đánh dấu nào tương ứng với việc kéo theo đuôi.

Nhờ sự kết hợp sôi động giữa các lĩnh vực khác nhau, các nhà nghiên cứu có thể tựa như hồi sinh một loài đã tuyệt chủng để xác định cách nó có thể đi. “Bởi vì họ đã kết hợp mô hình số hóa và robot học cùng nhiều yếu tố khác để nghiên cứu loài động vật này, chúng ta có thể tự tin rằng họ đã đưa ra một đề xuất hợp lý về cách nó di chuyển,” như nhà khảo cổ học Stuart Sumida của Đại học California San Bernardino nói. Anh ấy có cái nhìn độc đáo ở đây, nhất là: Anh ấy đã giúp mô tả Orobates cách đây 15 năm.

Quan trọng là cũng cần xem xét nơi Sumida và đồng nghiệp tìm thấy hóa thạch, ở Đức. Khoảng 300 triệu năm trước, không có dòng chảy nước ở khu vực đào. Và chính dòng chảy nước thường được các nhà khảo cổ sử dụng để bảo quản các mẫu trong bùn. “Đây là một môi trường hoàn toàn trên cạn chỉ xảy ra lụt thỉnh thoảng,” Sumida nói. “Vì vậy bạn nhận được một cái nhìn rất đặc biệt về cuộc sống không ở trong nước.”

Sự đi bộ thẳng đứng của Orobates, do đó, sẽ là lựa chọn hợp lý. “Đây là một sinh vật đã di chuyển quanh một cách dễ dàng trên cạn, và điều này chính xác là những gì địa chất đã gợi ý,” Sumida nói thêm. Điều đó có nghĩa là, ông thêm vào đó, là Orobates và có lẽ các loài động vật đất sớm khác đã thích ứng với môi trường của họ nhanh hơn dự kiến.

Như Bee Gees từng nói: “Bạn có thể nhận biết qua cách tôi đi, tôi là một tetrapod sớm trên cạn thoải mái, không có thời gian để nói chuyện.”

Các Sáng Tạo Tuyệt Vời Khác Trên MYTOUR

• Cách Corning sản xuất kính siêu tinh khiết cho cáp quang
• Khái niệm ô tô đi bộ của Hyundai tái tạo lại bánh xe
• Tự cho mình vào bóng tối (chế độ)
• Phép màu thay đổi cuộc sống của tối ưu hóa bản thân
• XR là gì và làm thế nào tôi có được nó?
• 👀 Đang tìm kiếm những thiết bị công nghệ mới nhất? Kiểm tra các lựa chọn, hướng dẫn mua sắm và ưu đãi tốt nhất của chúng tôi suốt cả năm
• 📩 Nhận thêm nhiều thông tin hơn với bản tin Backchannel hàng tuần của chúng tôi