在地球46亿年的漫长历史长河中，生命的演化过程充满着未解之谜。如何从零散的化石证据中还原古生物的真实面貌？如何理解关键演化节点的具体过程？10月23日，Science Robotics发表重磅综述，首次系统性提出"古生物启发机器人学"(Paleoinspired robotics)这一创新研究范式，展现了机器人技术在演化研究中的独特价值。
一、为什么需要古生物启发机器人学？
传统的古生物研究面临着一个根本性挑战：化石记录总是不完整的。研究者往往只能获得某个物种的部分骨骼信息，很难完整还原其运动方式、生理特征和生活习性。这种局限性使得许多关键的演化问题难以得到解答。比如，当鱼类开始向陆地进军时，它们的附肢是如何逐步适应陆地环境的？四足动物是如何从四足行走演化出双足行走的？
生物启发机器人学在过去几十年取得了显著进展。这一领域通过研究现生生物来设计和优化机器人，不仅推动了机器人技术的发展，也帮助我们更好地理解了生物运动的基本原理。然而，这种方法仅局限于现存物种，无法直接应用于理解演化过程。
在这样的背景下，古生物启发机器人学应运而生。（如图1）这一新兴领域建立了一个完整的生命-人工生命循环。在这个循环中，古生物学提供了化石证据，生物学研究现生物种，生物启发机器人帮助验证具体的运动机制，而古生物启发机器人则探索了各种可能的演化路径。这种创新的研究范式让我们能够在实验室环境中"压缩时间"，在短时间内模拟和测试需要数百万年才能完成的演化过程。
二、古生物启发机器人学的方法论创新
以水陆过渡这一生命演化史上的关键节点为例。（如图2）研究者开发的机器人平台能够系统性地改变多个关键参数。在鳍状肢研究中，我们可以改变其尺寸、方向和形状；对于整体形态，可以调节身体大小和比例；在运动控制方面，则可以测试不同的运动模式。
具体到实验设计，研究者采用了多学科交叉的方法。通过3D打印技术，可以快速制作不同形态的机器人部件；使用软材料制造技术，能够模拟生物组织的柔性特征；结合计算机控制和机器学习算法，则可以探索最优的运动策略。这些技术手段的结合，让我们能够全方位地研究形态、功能和环境之间的复杂关系。
三、突破性案例：从理论到实践的演进
让我们通过几个前沿研究案例，深入了解这一方法如何推动演化研究的突破。研究团队选择了非洲慈鲷(Polypterus senegalus)作为研究对象。这种鱼类在进化树上的位置特殊，被认为与肉鳍鱼类和四足动物的共同祖先相近。研究发现，当这些鱼在陆地环境中生长时，它们的骨骼结构会发生显著变化，这些变化与早期四足动物化石中观察到的特征惊人地相似。这一发现提示我们，表型可塑性可能在水陆过渡的演化过程中发挥了重要作用。
另一个引人注目的案例是蛇颈龙的流体动力学研究。蛇颈龙以其独特的体型闻名：极长的脖子、巨大的身躯，以及两对相似的鳍。研究者通过结合计算流体力学模拟和物理机器人实验，发现前后鳍之间的流体相互作用可以显著提高推进效率，这不仅解释了蛇颈龙的演化适应性，也为水下机器人设计提供了新思路。
在恐龙足迹的软体模型研究中，研究者创造性地使用了可变形材料来模拟恐龙足部的软组织结构。这种方法不仅能够复现已知的化石足迹，更重要的是，能够理解这些足迹形成的具体机制，为重建早期陆生脊椎动物的运动方式提供了重要线索。
四、未来发展与重要启示
随着技术的不断进步，古生物启发机器人学面临着激动人心的发展机遇。3D打印技术的精进让我们能够制作更精细的机器人部件，材料科学的发展为模拟生物组织提供了新的可能，而人工智能的应用则让我们能够更有效地探索形态空间。
然而，这一领域仍面临着重要挑战。首要的是可进化硬件系统的开发。现有的机器人平台大多只能实现预设的形态变化，而真正的生物演化是一个开放式的、充满创新的过程。如何设计能够实现"真实演化"的机器人系统，是未来需要突破的关键问题。
古生物启发机器人学的发展，展示了跨学科合作的重要价值。它不仅是技术的进步，更是思维方式的革新。通过将古老的生命印记与现代科技相结合，我们正在揭开演化历程的神秘面纱，重新认识生命演化的壮丽画卷。
原文：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adn1125
