借助机器人，考古学家或许很快就能将他们的发现与数千份实验参考样本的数据进行比较，从而确定石器时代人们如何使用工具。苏黎世联邦理工学院（ETH）的科学家研发了一套机器人系统，并在汉诺威工业博览会上展示了该系统。
拉杜·约维塔是一名考古学家。他清楚地记得自己的学生时代：为了赚一点零花钱，他曾花数小时用石器遗址出土工具的复制品刮擦兽皮。考古学家通过显微镜分析磨损痕迹，试图确定数千年前这些工具的用途。这种方法称为“使用磨损分析”，如今是现代实验考古学中的标准方法。
“人工进行使用磨损分析极其耗时，而且我们无法控制工具使用时所施加的力度或工具的位置等因素，”约维塔说。过去几年，他一直在寻找开展受控实验的机会，并利用气枪系统对石器时代矛头的撞击相关断裂进行受控测试，取得了初步成功。
考古学家与机器人专家携手合作
但这位考古学家希望找到一种方法，能够系统地检验所有工具及其用途，同时尽可能实现自动化。约维塔现任德国诺伊维德蒙雷波斯研究中心（RGZM-莱布尼茨考古研究所）研究员。他想起了苏黎世联邦理工学院机器人与智能系统研究所教授约纳斯·布赫利；10年前，他曾在一所复杂系统暑期学校与布赫利相识。这位联邦理工学院教授从一开始就对约维塔的构想印象深刻：利用机器人实现考古研究自动化，使测量标准化。
布赫利当时的研究生约翰内斯·普弗莱金为石器工具复制品装上了传感器。普弗莱金像约维塔当年学习时一样刮擦兽皮，但有一点不同：计算机会记录他的动作和施加的力度。由此，他发现传感器能提供重要数据，可用于日后复现实验并进行比较。但使用磨损分析仍然耗时。
恰逢机器人公司库卡刚刚宣布设立创新奖，为创新研究项目提供具备力控功能的轻型机器人。与其负载重量相比，这些机器人非常轻，并能在毫秒内根据测得的阻力调整施加的力度。
用于全自动分析的机械臂
去年12月以来，布赫利的实验室里一直有一台这样的库卡机器人。现为博士生的普弗莱金将这只具有七个自由度的灰色机械臂固定在一张木桌上。机械臂末端装有一个塑料适配器，适配器上有一块木头，他把一件石器工具复制品粘在木块里。普弗莱金启动自己编写的计算机程序后，机械臂便开始用石器刮擦固定在桌上的一块皮革。刮擦几轮后，机械臂向下弯曲，将工具送到桌上的显微镜下。普弗莱金的电脑上随即显示出石器放大80倍的图像，细微的磨损清晰可见。
“有了这样的系统，我们不仅能自动完成繁琐的磨损痕迹制作过程，还能自动分析复制品，”布赫利解释说。多台机器人可以全天候使用工具复制品加工皮革、石头或木材，每进行50次动作后，就将工具送到显微镜下拍摄表面图像。这样，结合数据与机械臂施力情况，就能精确还原某些磨损痕迹是如何形成的。“借助这类分析数据，我们有朝一日可以建立大型数据库，收录考古学相关材料及其磨损模式的所有特征，”布赫利解释说。
深入了解古代文明
此类更广泛的比较有望加快考古学和古人类学的知识积累。对于每件考古发掘出的石器文物，研究人员都可以将显微图像与来自世界各地的数千条使用磨损实验记录进行比较，从而推断该工具过去的用途。
“迄今为止，考古学研究主要关注物品的形态，”约维塔说。“然而，只有知道工具的用途，我们才能推断文化。”如今，人们普遍认为，可以根据工具的使用方式以及使用工具所需的认知技能，推断史前人类的进化发展。尤其是对于距今300万年至50,000年之间的工具用途，科学家仍然知之甚少。
范式转变正在发生
目前，约维塔在自己的专业领域遇到了一些反对意见。有些人认为，人工实验更接近过去的真实情况；另一些人则认为，使用磨损分析本身并不能推动考古理论发展。约维塔认为，这主要是因为大多数考古学家受过人文学科训练，并不熟悉工程师的世界。“不过，一场代际更替和范式转变正在发生，”他认为，“人们对自动化分析的兴趣正在增长，越来越多的考古学家也能接触到相关技术。”
约维塔已申请在诺伊维德研究中心建立一间痕迹实验室，未来两到三年内将在那里开展首次机器人使用磨损分析。布赫利和普弗莱金现已在汉诺威工业博览会期间，作为库卡创新奖项目的一部分，向专家展示了他们的机器人系统。接下来，他们将在实验室开发一款原型机，使其更适用于考古工作，且价格低于传统的力控轻型机器人。“10年后，机器人分析将成为考古学的标准方法，”布赫利预测。“研究成果将首次真正具备可比性，因为背后的方法已实现标准化，设备也经过了恰当校准。”
本文由 苏黎世联邦理工学院合作发表。发表本文并不意味着世界经济论坛认同其中观点。
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作者：塞缪尔·施莱夫利是苏黎世联邦理工学院的撰稿人。
图片：工业博览会上可见机器人。路透社/莫里斯·麦克·马岑。
