轮子的发明可能是为了解决一个令人惊讶的问题
快速阅读: 据《科学警报》称，研究显示，车轮可能起源于公元前3900年喀尔巴阡山脉的矿井中，作为运输铜矿石的工具。通过模拟进化过程，科学家发现车轮是从滚筒逐步演化而来，这一过程受到机械优势的驱动。车轮的最终形态和相关技术革新深刻影响了人类历史。
想象一下，你是一名生活在公元前3900年的东南欧铜矿工人。日复一日，你在高温潮湿的矿井隧道中搬运铜矿石。你已经习惯了采矿生活的枯燥和艰辛。然而有一天下午，你目睹了一位工友做了一件令人难以置信的事情。他用一个看起来奇怪的装置，在一次行程中轻松运输相当于自身体重三倍的重量。当他返回矿井去取另一批货物时，你突然意识到，你的职业即将变得轻松得多，也更有利可图。但你没有意识到的是：你正在见证一件将改变历史进程的事情——不仅对你们小小的采矿社区如此，对全人类亦然。
这是一幅描绘了在喀尔巴阡山脉使用的原始矿车可能在公元前3900年时的样子的插图。（凯·詹姆斯通过DALL·E提供）
尽管车轮的影响无法估量，但没有人确切知道是谁发明了它，或者它首次出现的时间和地点是什么。上述假设的情景是基于2015年的一种理论：即喀尔巴阡山脉的矿工——也就是今天的匈牙利地区——在近6000年前首次发明了车轮，作为一种运输铜矿石的方式。这一理论得到了考古学家在该地区发现的超过150个小巧的四轮模型的支持。这些模型由粘土制成，其外表面刻有类似当时采矿社区使用的篮子编织图案的纹饰。碳年代测定后来显示，这些货车是迄今为止已知最早的车轮运输图像。
这个理论也提出了一个特别让我感兴趣的问题——作为一名研究工程设计科学的航空航天工程师：为什么一个鲜为人知、缺乏科学知识的采矿社会能够发现车轮，而高度发达的文明，比如古埃及人却没有？
一个有争议的想法
长期以来，人们一直认为车轮是从简单的木制滚筒演变而来的。但直到最近，还没有人能解释这种转变是如何或为何发生的。更重要的是，从20世纪60年代开始，一些研究人员开始强烈质疑滚筒到车轮的理论。毕竟，为了使滚筒有用，它们需要平坦、坚实的地形，并且路径上不能有坡度和急转弯。此外，一旦推车经过滚筒，用过的滚筒需要不断被带到队伍的前面，以保持货物的移动。出于所有这些原因，古代世界很少使用滚筒。
根据怀疑论者的观点，滚筒太稀少、太不实用，不可能是车轮进化的起点。但是矿井——有着封闭的人造通道——会为滚筒提供有利条件。这一因素以及其他因素促使我的团队重新审视滚筒假说。
转折点
从滚筒到车轮的转变需要两项关键创新。第一项是对承载货物的推车进行修改。推车的底部必须配备半圆形凹槽，用于固定滚筒。这样，当操作员拉动推车时，滚筒就会随之移动。这项创新可能是由于矿井环境的限制所激发的，因为不得不定期将用过的滚筒带回推车的前端会造成不便。
发现带有凹槽的滚筒标志着车轮进化的一个转折点，并为第二项也是最重要的创新铺平了道路。下一步涉及滚筒本身的改变。为了理解这种变化是如何以及为何发生的，我们转向了物理学和计算机辅助工程。
模拟车轮的进化
为了开始我们的调查，我们创建了一个计算机程序，旨在模拟从滚筒到车轮的进化过程。我们的假设是，这种转变是由一种称为“机械优势”的现象驱动的。同样的原理允许钳子通过提供额外的杠杆作用来放大使用者的握力。同样地，如果我们可以修改滚筒的形状以产生机械优势，这将放大使用者的推力，使其更容易推动推车前进。
我们的算法通过模拟数百种潜在的滚筒形状并同时考虑机械优势和结构强度来进行工作。后者用于确定给定的滚筒是否会在货物的重量下破裂。正如预测的那样，算法最终确定为熟悉的轮轴结构，认为这是最优的。
车轮和轴结构演化的计算机模拟。每张图片代表算法评估的设计。搜索最终确定为熟悉的轮轴结构。（凯·詹姆斯）
在算法执行过程中，每个新设计的性能都略优于其前代。我们认为，六千年前矿工身上也发生了一个类似的进化过程。最初是什么促使矿工探索其他滚筒形状尚不清楚。一种可能性是在滚筒与凹槽接口处的摩擦导致周围木材磨损，从而在接触点略微缩小了滚筒。另一种理论是矿工们开始减少滚筒的厚度，以便他们的推车可以越过地面上的小障碍物。无论如何，由于机械优势，轴区域的这种变窄使得推车更容易推动。随着时间的推移，性能更优的设计不断取代其他设计，新的滚筒被制造出来模仿这些顶尖表现者。因此，滚筒变得越来越窄，直到只剩下两端由大圆盘封住的细长杆。这一原始结构象征着我们现在所说的“车轮”的诞生。
根据我们的理论，车轮并没有一个精确的发明时刻。相反，就像物种的进化一样，车轮是从一系列小改进中逐渐形成的。这只是车轮漫长且持续进化中的众多篇章之一。在喀尔巴阡矿工做出贡献五千多年后，一位巴黎自行车机械师发明了径向滚珠轴承，再次彻底改变了轮式运输。讽刺的是，滚珠轴承在概念上与车轮的进化前身滚筒相同。滚珠轴承围绕轴形成一圈，创造了一个轴与轮毂之间的滚动界面，从而绕过了摩擦。有了这个创新，车轮的进化完成了循环。
这个例子也表明，车轮的进化，就像它的标志性形状一样，走了一条迂回的道路——一条没有明确起点、没有终点，一路上充满悄然发生的变革的道路。
讽刺的是，滚珠轴承在概念上与车轮的进化前身滚筒相同。滚珠轴承围绕轴形成一圈，创造了一个轴与轮毂之间的滚动界面，从而绕过了摩擦。有了这个创新，车轮的进化完成了循环。
凯·詹姆斯
佐治亚理工学院航空航天工程教授
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