在一所大学的游泳池里，科学家们和他们的水下摄像机仔细观察着一个盘绕的贝壳从一对金属钳子中释放出来。贝壳开始在自己的力量下移动，让研究人员得以一窥数百万年前海洋可能是什么样子，那时到处都是这种无处不在的动物。
这不是《侏罗纪公园》，但它是通过重现来了解古代生命的努力。在这种情况下，这些娱乐项目是3d打印机器人，用于复制鹦鹉螺的形状和运动，鹦鹉螺是先于恐龙出现并与恐龙同时代的海洋动物。
这些机械鹦鹉螺让研究人员得以探索贝壳形状如何影响游泳能力的问题。他们发现了水中稳定性和机动性之间的权衡，这表明鹦鹉螺壳的进化探索了不同的设计以获得不同的优势，而不是趋同于单一的最佳设计。
犹他大学地质与地球物理学系博士后David Peterman说:“这些结果重申，没有单一的最佳壳形。”
这项研究发表在《科学报告》上。
把弹药夜间“生活”
多年来，彼得曼和地质与地球物理学助理教授凯瑟琳·里特布什(Kathleen Ritterbush)一直在探索古代有壳头足类动物(包括菊石)的水动力学或水中运动的物理学。今天的头足类动物包括章鱼和乌贼，只有一组有外壳——鹦鹉螺。
在这个时代之前，带壳的头足类动物随处可见。虽然它们坚硬的螺旋壳会影响它们在水中的自由运动，但它们在进化方面是惊人的成功，坚持了数亿年，并在每次大灭绝中幸存下来。
“这些特性使它们成为研究进化生物力学的绝佳工具，”彼得曼说，“这是关于底栖软体动物如何成为海洋无脊椎动物中最复杂和最具流动性的群体的故事。”我更广泛的研究目标是更好地理解这些神秘的动物，它们的生态系统角色，以及塑造它们的进化过程。”
彼得曼和里特布什之前建立了真人大小的锥形头足类动物壳的3D重量模型，并发现，通过将它们放在水池中，古代动物可能过着垂直生活，在水柱中上下浮动寻找食物。这些模型的运动完全由浮力和壳体的流体动力学控制。
但彼得曼一直想建立更类似于活体动物的模型。
彼得曼说:“自从我发明了第一个在物理模型中复制流体静力学特性的技术以来，我就一直想制造机器人，凯瑟琳也强烈鼓励我。”“船上的推进使我们能够探索有关这些动物生活习惯的物理限制的新问题。”
浮力成为彼得曼的主要挑战。他需要模型具有中性浮力，既不漂浮也不下沉。他还要求模型防水，既要保护内部的电子设备，又要防止漏水改变微妙的浮力平衡。
但额外的工作是值得的。“使用这些技术可以研究新的问题，”彼得曼说，“包括复杂的喷射动力学、滑行效率和特定壳体形状的3D机动性。”
一个机器鹦鹉螺的实验“运行”。这是圆形的球锥体形状，带跟踪点到莫 Nitor在三维空间中的运动。图片来源:David Peterman/犹他大学三种贝壳
研究人员测试了三种外壳形状的机械鹦鹉螺。它们的部分原型是现代鹦鹉螺的外壳，并根据古代鹦鹉螺的外壳形状进行了修改。被称为蛇锥的模型有紧密的螺纹和狭窄的外壳，而球锥模型有很少的厚螺纹和一个宽的，几乎球形的外壳。第三种型号，oxycone，在中间的某个地方:厚的螺纹和狭窄的流线型外壳。你可以把它们想象成一个三角形图，代表不同壳特性的“端元”。
彼得曼说:“每一种曾经存在过的平面头足类动物都在这张图的某个地方画了图。”这样就可以对中间形状的属性进行估计。
一旦3d打印模型建立，操纵和加重，是时候去游泳池了。彼得曼和里特布什先是在地质学和地球物理学教授布伦达·鲍恩的池塘里工作，后来又在美国大学的深红色泻湖里工作，他们在水下安装了摄像机和灯光，释放了机器人鹦鹉螺，在每一种贝壳类型的3D空间里“运行”了大约12次，跟踪它们的位置。
没有完美的外壳形状
通过分析池实验的数据，研究人员正在寻找与每个壳特性相关的利弊。
彼得曼说:“我们预计，任何特定的形状都会有各种各样的优势和结果。”“进化使它们有了一种非常独特的运动方式，因为它们有一个有腔的充满气体的海螺从海底解放出来。这些动物其实是由水流推动的坚硬的潜水艇。”他说，这种壳在速度和机动性上都不太好，但在每次大灭绝中，卷壳头足类动物仍然保持着显著的多样性。
彼得曼说:“在整个进化过程中，外壳头足类动物通过无休止地试验它们盘状壳的形状变化来克服自身的物理局限性。”
那么，哪种贝壳形状是最好的呢?
“一种形状比另一种形状更好的想法是没有意义的，如果不问这个问题——‘在什么方面更好?”渔夫说。更窄的外壳在单向飞行时阻力更小，稳定性更高，从而提高了它们的喷射效率。但是更宽、更球形的壳可以更容易地改变方向，沿着轴旋转。这种机动性可能帮助它们捕捉猎物或躲避慢速掠食者(像其他有壳头足类动物)。
彼得曼指出，一些解释认为许多鹦鹉螺壳在流体动力学上“不如”其他贝壳，限制了它们的运动太多。
彼得曼说:“我们的实验以及我们实验室同事的工作表明，传统上被解释为流体力学‘劣等’的壳体设计可能有一些缺点，但并不是不动的漂流器。”“对于外壳头足类动物来说，速度当然不是衡量性能的唯一标准。”他说，在化石记录中，几乎每一个壳设计的变化都反复出现，这表明不同的形状赋予不同的优势。
“自然选择是一个动态的过程，随着时间的推移而变化，涉及许多功能权衡和其他限制，”他说，“外壳头足类动物是研究这些复杂动态的完美目标，因为它们具有巨大的时间范围、生态意义、数量和高进化率。”
