當某些箭毒蛙的蝌蚪與親代溝通時,牠們不會呱呱叫或歌唱。相反地,牠們使用一種振動的語言,透過在母親或父親身上扭動身體來傳達訊息。親代青蛙能從這些振動中判斷出後代的飢餓程度。

科學家們尚未確切了解蝌蚪的振動如何轉化為親代的餵食指令。但當 Billie Goolsby 於 2020 年開始在加州史丹佛大學攻讀博士學位時,她覺得自己具備了獨特的條件來研究這個問題。Goolsby 天生聽力受損,她的母親以一種包含觸覺的語言與她溝通,這與兩棲動物的溝通方式相似。

Goolsby 表示:「親代與子代的溝通,通常是社會性生物最關鍵且最主要的互動。父母非常關心牠們的寶寶在說什麼。」

Goolsby 的博士導師 Lauren O’Connell 在實驗室研究的各種箭毒蛙物種,以令人驚訝的方式照顧牠們的後代。在許多物種中,雄蛙會將剛孵化的蝌蚪背負到水池,例如葉片中積水的水窪。一種模仿箭毒蛙(Ranitomeya imitator)的雄蛙會將牠的 2-4 隻蝌蚪分別放在不同的水窪中,並每天巡視這些水窪。如果牠站在水中感覺到蝌蚪在振動,牠就會不停地對配偶唱歌,直到配偶前來加入牠。雌蛙會親自感受蝌蚪的擺動,並決定是否需要產下一顆未受精的卵供其食用。

為了嘗試解碼家庭的對話,Goolsby 與史丹佛大學的工程師合作,打造了一隻獨一無二、模仿蝌蚪振動的機器人。她的計畫開始揭開兩棲類語言的奧秘,同時也改變了她周圍科學家的合作與溝通方式。

Goolsby 稱她的學校老師母親為「超級英雄」。在她成長過程中,母親想出了與她溝通的方法,例如透過觸覺引導她在嘈雜的人群中行走。她教導 Goolsby 注意嘴巴裡聲音的感覺來清晰發音。Goolsby 說:「對我來說,觸覺比對其他人來說更為顯著。」

當她從喬治亞州的小型中學轉到麻薩諸塞州波士頓大學時,Goolsby 在大型講座課堂中感到掙扎。她回憶道:「我告訴我的化學教授我聽力不好,但我真的很想留在科學界。他說:『像你這樣的人不會留在科學或醫學界。』」

然而,在大學的聾啞研究課程的美國手語(ASL)課堂上,Goolsby 遇見了聾啞或聽力受損的教職員,她得到了不同的訊息。她說:「你可以做任何事。而且你可以做真實的自己。」她學會了告訴別人她需要什麼,例如請別人說話時靠近她並面對她。

在學習生物學的過程中,Goolsby 開始思考「動物如何在環境中成功適應的各種方式」。例如,她想知道,陸地親代和水生後代之間的青蛙家庭是如何互相溝通的?

當 Goolsby 開始進入 O’Connell 的實驗室時,她尋找回答這個問題的方法。如果她有一個工具可以人工模仿蝌蚪的舞蹈,她就可以控制青蛙親代接收到的刺激,並解碼出讓牠們餵養後代的訊號。但當時沒有這樣的工具。

Goolsby 發了一封電子郵件給史丹佛大學的仿生學與靈巧操作實驗室,該實驗室曾製造出受生物啟發的裝置,包括一隻像壁虎一樣爬牆的機器人。她問,他們對製造一隻仿生蝌蚪有何看法?

她說:「我有點緊張地向機器人專家展示這個想法。這是一長串的要求。」

但回覆她電子郵件的資深研究生 Tony Chen 表示,這個計畫立刻引起了他的注意。「這是一個非常有趣的工程挑戰。」

這隻機器人將放在一個小型的、人造的水池中——實際上是一個膠捲罐——位於親代青蛙的飼養箱內。Chen 考慮過使用氣動裝置為機器人供電,透過空氣推動,但這會產生氣泡。他也考慮過使用液壓裝置用水為機器人供電。但這有風險會讓罐子裡的水位過高。

他最終選擇了一個位於飼養箱外部的馬達(其噪音和脈動不會打擾青蛙或干擾牠們的信號),透過一條長長的電線連接到機器人的擺動機制。Chen 用深灰色矽膠覆蓋了機器人兩公分長的身體,以模仿真實蝌蚪的皮膚。

他對動物行為研究的困難有了新的體會:許多變數無法控制,實驗耗時長,而且測試對象無法事後填寫問卷。在每次機器人實驗後,研究人員會聚在一起討論哪些方法有效,哪些無效。

例如,當 TadBot 的第一個版本為親代跳舞時,有些東西在翻譯過程中丟失了。青蛙父親看到機器人蝌蚪在擺動,奇怪的是,牠們竟然爬到了機器人身上。O’Connell 笑著說:「青蛙們就像騎著一頭公牛一樣騎著這隻蝌蚪。」

O’Connell 說,那個機器人模型太大了,而且振動也不對。研究人員意識到蝌蚪的語言比他們想像的要微妙得多。

直到 Goolsby 在一次會議上與感官生物學家 Loranzie Rogers 交談時,才出現了突破。當時 Rogers 正在華盛頓大學西雅圖分校攻讀博士學位,研究魚類(不是兩棲動物)如何對聲音做出反應。Rogers 同意到史丹佛大學拜訪 Goolsby 並帶來他的設備。

Goolsby 表示,一旦 Rogers 幫助研究人員測量了真實蝌蚪乞食振動的振幅和頻率,「我們就能夠調整我們的 TadBot 以獲得精確的訊號」。終於,她的機器人可以開始擺動了。

一旦 TadBot 以正確的方式振動,青蛙親代會更頻繁地前來。科學家們至少破解了一部分密碼。但青蛙父母會像對待真正的蝌蚪一樣照顧牠們的機器寶寶嗎?

在實驗中,Goolsby 會等到雄蛙將蝌蚪帶到飼養箱的水池後,悄悄地將蝌蚪移走,換上 TadBot。她將真正的蝌蚪放在另一個看不見的水池中,以便每天更換 TadBot 的水,換成活蝌蚪游過的水(以及泥土和死蒼蠅)。這確保了機器人聞起來像真實的。

一個家庭安全攝影機監控著飼養箱,如果青蛙親代接近機器人的水池,就會向 Goolsby 的手機發送警報。然後 Goolsby 可以遠端開啟 TadBot,啟動常規的游泳動作或乞食舞。

TadBot 似乎說服了雄蛙,牠們在感受到機器人的振動訊號後會對配偶唱歌。但儘管雌蛙前來水池,牠們並沒有產下任何零食卵。

這表明蝌蚪的溝通方式不僅僅是舞蹈。Goolsby 說:「蝌蚪有時會輕咬親代的臀部。」她認為,除了蝌蚪的振動外,輕咬臀部可能是說服雌蛙產下昂貴卵子的必要條件。

但其他研究人員將不得不測試這個想法——Goolsby 和 Chen 都將繼續前進。Chen 現在是亞特蘭大喬治亞理工學院的助理教授,他說:「這是我做過最有趣的計畫。」Goolsby 將於本月答辯論文,然後將在加州大學柏克萊分校開始博士後研究。然而,她留下的遺產不僅僅是一隻小小的矽膠皮膚機器人。

當 Goolsby 加入她們團隊時,O’Connell 向史丹佛大學尋求建議,如何確保她的實驗室對 Goolsby 和一位坐輪椅的本科生都具有可及性。她要求大學在實驗室牆壁上安裝隔音設備,以減少背景噪音。她還讓她團隊中的每個人在所有簡報演示中使用自動即時字幕。

O’Connell 表示:「我對此遇到了一些阻力。」有些人告訴她,她演講中的自動字幕會分散注意力,因為 PowerPoint 並不能總是準確辨識科學術語。但總的來說,她說,「我認為這對人們廣泛有益,即使是聽力正常的人。」O’Connell 和她的實驗室成員也喜歡學習 Goolsby 教給他們的 ASL 手語。

Goolsby 和 O’Connell 加入了一個工作小組,以改善史丹佛大學的可及性,Goolsby 協助建立了一份針對身心障礙學生導師的指南。該指南建議,無論是否有身心障礙,都要與學生一對一討論他們的需求;確保學生擁有自主權;並至少每季檢查一次住宿安排的有效性。「這比我們實驗室的影響要廣泛得多,」O’Connell 說。

她補充說,讓科學更具可及性也能改善研究。「因為,無論科學家們的目標有多客觀,『我們過去的經驗影響了我們提出什麼樣的問題,以及我們如何解釋這些答案。』『有像 Billie 這樣的人在科學界,她看待事物的方式不同,因為她以不同的方式體驗世界。這只會讓我們的科學變得更好。』」

為科學帶來新觀點也是 Goolsby 在加州佛利蒙特聾啞學校擔任志工的原因。該校服務 3 至 21 歲聽力程度各異的學生。在那裡,她致力於改善科學課程和創建 ASL 無障礙的實地考察,以便更多年輕人能在科學領域看到自己的未來。

她說:「有這麼多的才華,只是需要一個機會。」「要最好地理解世界,你必須包含每一個人。」

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