车轮改变了全人类的历史进程。但它的发明却笼罩在神秘之中。
想象一下，公元前3900年，你是东南欧的一名铜矿工。你日复一日地在矿井闷热的隧道里搬运铜矿石。
你已经接受了矿工生活那令人精疲力竭的单调乏味。然后，一天下午，你目睹了一位同事做出了一件非凡的事。
他用一个造型奇特的装置，一次就能轻松运送相当于他体重三倍的货物。当他回到矿井再运一车货物时，你突然意识到，你选择的职业即将变得轻松许多，收入也大幅增加。
您没有意识到的是：您正在见证一些将改变历史进程的事情——不仅仅是为了您所在的小采矿社区，而是为了全人类。
人工智能生成的插图展示了公元前 3900 年喀尔巴阡山脉使用的原始矿车的样子。图片来源：Kai James via DALL·E
尽管轮子的影响不可估量，但没有人确定它究竟是谁发明的，以及它最初是在何时何地构思出来的。上述假设基于2015年的一个理论，该理论认为，近6000年前，喀尔巴阡山脉（位于今匈牙利境内）的矿工首次发明了轮子，当时轮子被用来运输铜矿石。
这一理论得到了考古学家在该地区发现的150多辆微型马车的支持。这些小型四轮马车模型由粘土制成，外表面雕刻着柳条编织图案，令人联想到当时矿工们使用的编织篮筐。碳测年法后来表明，这些马车是迄今为止已知最早的轮式运输工具的描绘。
作为一名研究工程设计科学的航空航天工程师，这个理论也引出了一个令我特别感兴趣的问题：一个鲜为人知、科学素养低下的采矿社会是如何发现轮子的，而像古埃及这样高度发达的文明却没有呢？
一个有争议的想法
人们长期以来一直认为轮子是由简单的木制滚轴进化而来的。但直到最近，仍无人能够解释这种转变是如何发生的，以及其原因。此外，从20世纪60年代开始，一些研究人员开始对“滚轴到轮子”的理论表示强烈质疑。
毕竟，要使滚轮发挥作用，它们需要平坦坚实的地形，以及没有斜坡和急弯的道路。此外，一旦车子经过滚轮，就需要不断地将用过的滚轮绕到队伍的最前面，以保持货物的移动。由于所有这些原因，古代世界很少使用滚轮。怀疑论者认为，滚轮太过稀有且不实用，不可能成为车轮进化的起点。
但矿井——拥有封闭的人工通道——会为滚轮的生存提供有利条件。这一点以及其他因素迫使我的团队重新审视滚轮假说。
第一个轮子进化的关键阶段，从简单的滚轮开始，最终发展成轮轴结构，其中细长的轴两端分别连接到大型实心圆盘（或轮子）。图片来源：Kai James
转折点
从滚轮到轮子的转变需要两项关键的创新。首先是对运载货物的推车进行改造。推车的底座必须配备半圆形插座，用于固定滚轮。这样，当操作员拉动推车时，滚轮也会随之一起被拉动。
这一创新可能是受到矿井环境狭窄性的推动，在矿井环境中，定期将用过的滚轮运送回车前部会特别繁重。
套筒滚轮的发现代表了车轮进化史上的一个转折点，并为第二次也是最重要的一次创新铺平了道路。下一步则涉及到滚轮本身的改变。为了理解这一变化是如何发生的以及原因，我们求助于物理学和计算机辅助工程。
模拟车轮的演变
为了开展研究，我们编写了一个计算机程序，用于模拟从滚轮到轮子的演变过程。我们假设，这种转变是由一种名为“机械优势”的现象驱动的。同样的原理使得钳子能够通过提供额外的杠杆作用来增强使用者的握力。同样，如果我们能够改变滚轮的形状以产生机械优势，就能增强使用者的推力，使推车更容易前进。
我们的算法通过对数百种潜在的滚轮形状进行建模，并评估每种形状在机械优势和结构强度方面的表现。结构强度用于确定给定滚轮是否会在货物重量下断裂。正如预测的那样，该算法最终收敛到我们熟悉的轮轴形状，并确定其为最佳形状。
计算机模拟从滚子到轮轴结构的演变过程。每幅图像代表一种经过算法评估的设计。搜索最终收敛到我们熟悉的轮轴设计。图片来源：Kai James
在算法执行过程中，每个新设计的表现都比前一个设计略有提升。我们相信，6000年前的矿工也经历了类似的进化过程。
目前尚不清楚最初是什么促使矿工们探索其他形状的滚轮。一种可能是，滚轮与滚轴套接口处的摩擦导致周围的木材磨损，导致滚轮在接触点处略微变窄。另一种理论是，矿工们开始将滚轮变细，以便他们的矿车能够越过地面上的小障碍物。
无论如何，得益于机械优势，轴心区域的缩小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受到青睐，新的滚轮也随之诞生，模仿这些性能最强的设计。
于是，滚轮变得越来越窄，最后只剩下一根细长的杆，两端盖着巨大的圆盘。这种原始结构标志着我们现在所说的“车轮”的诞生。
根据我们的理论，车轮的发明并没有确切的时间。相反，就像物种进化一样，车轮是通过不断积累微小的改进逐渐形成的。
这只是车轮漫长而持续演变的众多篇章之一。在喀尔巴阡矿工做出贡献的5000多年后，一位巴黎自行车技师发明了径向滚珠轴承，这再次彻底改变了轮式交通。
讽刺的是，滚珠轴承在概念上与车轮进化的前身滚子完全相同。滚珠轴承围绕轮轴形成一个环，在轮轴和轮毂之间形成一个滚动界面，从而避免了摩擦。这项创新让车轮的进化完成了一个完整的循环。
这个例子也表明了车轮的演变过程，就像它的标志性形状一样，走的是一条迂回的道路——没有明确的起点，没有终点，沿途有无数次安静的旋转。
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