一个机器人再现了一只3亿年前的动物的行走。

利用3亿年前动物的化石和化石脚印，一个跨学科的团队，包括来自EPFL和柏林洪堡大学的科学家，开发了一种识别灭绝动物最可能的步态的方法，并设计了一个机器人，可以重现它们的行走。这项利用机器人对动物生物力学进行的创新性研究可以帮助研究人员更好地了解脊椎动物运动是如何随着时间而进化的。

3亿年前脊椎动物是如何行走的？他们能站直吗？他们是否以平衡、节能的方式行动？柏林洪堡大学EPFL生物机器人实验室和跨学科实验室图像知识研究所的科学家着手回答这些问题。科学家利用奥罗贝茨的骨骼化石和脚印——一种脊椎动物，在进化树上，一方面来自两栖动物，另一方面来自爬行动物和哺乳动物——创造了计算机模拟和机器人。通过对四种两栖动物和爬行动物的实验研究，他们使用这些工具来测量化石动物的不同行走方式是多么可信。

“奥罗贝茨是理解陆生脊椎动物是如何进化的一个理想的候选者，因为它在导致现代羊膜的谱系中。这些动物是在陆地上产卵形成的，并基本上独立于水，”洪堡大学教授约翰·尼亚卡图拉说。更重要的是，奥罗贝茨是已知最古老的脊椎动物，科学家们已经能够将化石与其石化的脚印联系起来。EPFL工程学院的教授Auke Ijspeert说：“这种结合使我们能够进行独特的定量研究，这为复制其他化石动物的行走方式铺平了道路。”研究人员的发现出现在自然界中。

基于运动的模型，然后是机器人模型

为了更好地理解奥罗贝茨是如何行走的，并精确地指出它的运动有多先进，洪堡大学的科学家们根据动物的化石和现代动物伸展姿势的生物力学，开发了一个骨骼的数字模型。他们利用这个模型对奥罗贝茨在数字化脚印上行走时的步态进行了第一次运动学计算机模拟。这个模拟集中于运动（而不是力），并识别出动物骨骼不会碰撞或从关节中出来的步态。

与此同时，EPFL生物机器人实验室的两位科学家——博士后研究员卡米洛·梅洛和博士生托米斯拉夫·霍瓦特——利用动物解剖化石建造了一个名为“奥罗博特”的机器人。Orobot被设计成与灭绝动物的形状和运动相匹配，并被用来计算Orobate行走的物理过程。梅洛说：“我们用我们的机器人模型测试了动物运动动力学的假设，这是动物步态的真实物理因素。”

基于当代动物测试数百种不同的步态

跨学科的科学家团队用他们的机器人测试了数百种不同的步态，以确定Orobates可以使用哪种步态——而那些显然没有使用的步态。他们测试的步态是基于从类似的现代动物如凯门鳄、蝾螈、鬣蜥和石龙子身上提取的生物力学原理，通过X光视频和力量测量进行分析。Nyakatura说：“我们研究了它们运动的生物力学，并确定了它们都遵循的力学原理。”研究小组特别研究了三个特征：动物的腿是如何直立的；脊柱是如何弯曲的；行走时它的肘关节或肩关节是如何弯曲的。这三个特征决定了研究人员称这种动物为“伸展的步态空间”。他们创建了一个强大的互动网站，在那里，同行的科学家和更广泛的公众可以探索奥罗贝茨可能使用的运动宇宙。

根据这些结果，他们想出了奥罗贝茨最可能的行走方式。他们根据所需的能量、运动的稳定性、腿力与其他伸展动物相比的程度以及运动与石化脚印的紧密程度来评分步态。得分高的步态看起来很有运动性，最像凯门鳄的动作。这表明奥罗贝茨可能已经在腿上稍微直立了一点——不像蝾螈和石龙子。因此，它的运动比以前想象的要先进。

这项研究得出的结论是，在爬行动物和哺乳动物的共同祖先之前，奥罗贝茨可能已经进化出了更先进、更直立、更平衡和机械节能的运动方式。为这项研究开发的新方法可以被其他科学家应用于他们的工作中，并且可以修改它来研究其他的进化过渡，例如哺乳动物的飞行起源或飞驰步态。