AI 進(jìn)軍考古學(xué)！科學(xué)家用深度學(xué)習(xí)算法發(fā)現(xiàn)了近 100 萬年前人類用火的證據(jù)，登上PNAS

火的使用是智人進(jìn)化的一個(gè)關(guān)鍵因素，火不僅可以用于創(chuàng)造更復(fù)雜的工具，還可讓食物變得更安全，從而有助于大腦的發(fā)育。

迄今為止，全球范圍內(nèi)僅發(fā)現(xiàn)了5個(gè)可追溯到50萬年前用火證據(jù)的遺址，包括位于南非的Wonderwerk洞穴和Swartkrans、肯尼亞的Chesowanja、以色列的Gesher Benot Ya'aqov、西班牙的Cueva Negra。

現(xiàn)在，以色列的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)利用人工智能算法發(fā)現(xiàn)了第六個(gè)表明人類用火痕跡的遺址！這項(xiàng)研究揭示了以色列一個(gè)舊石器時(shí)代晚期遺址中存在人類用火的證據(jù)。研究成果已發(fā)表在PNAS期刊上。

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AI 進(jìn)軍考古
傳統(tǒng)的考古方法對于早期古人類遺址使用火源的識別，主要依賴于對蝕變沉積物、巖屑和骨骼的視覺評估，例如，土壤變紅、變色、翹曲、開裂、收縮、變暗等等，這可能會低估當(dāng)時(shí)人類用火的普遍程度。

而在這項(xiàng)研究中，作者團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于拉曼光譜和深度學(xué)習(xí)算法的光譜「溫度計(jì)」，用來估計(jì)燧石偽影的熱暴露，檢測極端高溫扭曲材料的原子結(jié)構(gòu)，從而彌補(bǔ)了用火痕跡在視覺特征上的可能缺失。

研究表明，以色列的舊石器時(shí)代早期露天遺址（Evron Quarry）存在被火燒過的動物和巖屑?xì)埓�，年代介�?00萬至80萬年前之間。

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研究團(tuán)隊(duì)首先對1976-1977年在Evron Quarry挖掘出的材料進(jìn)行了研究，并沒有發(fā)現(xiàn)熱相關(guān)特征在視覺上的明顯證據(jù)，比如土壤變紅、燧石工具變色或開裂、收縮或動物遺骸變色等。

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團(tuán)隊(duì)測試了許多種方法，包括傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析方法、機(jī)器學(xué)習(xí)建模和更先進(jìn)的深度學(xué)習(xí)模型。流行的深度學(xué)習(xí)模型具有優(yōu)于其他模型的特定架構(gòu)，使用AI技術(shù)的好處是它可以分析材料的化學(xué)成分，并以此估計(jì)它們的熱暴露情況。

AI技術(shù)可以可靠地區(qū)分現(xiàn)代燧石是否被燃燒過，而且還能揭示其燃燒的溫度�；鸬臒崃靠梢砸�起附近石頭的變化，燃燒會在原子水平上改變骨骼結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的紅外光譜也會改變。

在這項(xiàng)研究中，團(tuán)隊(duì)使用一個(gè)深度學(xué)習(xí)模型（一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）來學(xué)習(xí)燧石偽影的拉曼光譜模式，從而估計(jì)石器的溫度。與完全連接的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（FC-ANN）相比，該模型性能更優(yōu)，能夠?qū)⒄鎸?shí)溫度和估計(jì)溫度之間的平均絕對誤差從118 °C降至103 °C。

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首先，團(tuán)隊(duì)對從以色列不同地方收集來的現(xiàn)代燧石進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練，并在實(shí)驗(yàn)室控制條件下加熱至已知溫度。其次，將訓(xùn)練后的模型應(yīng)用于未知樣品（即從Evron Quarry遺址采集的石器）。團(tuán)隊(duì)采用有監(jiān)督的深度學(xué)習(xí)方法將拉曼光譜與燧石的加熱溫度關(guān)聯(lián)起來。這種方法依賴于燧石有機(jī)和無機(jī)成分發(fā)生的不可逆熱誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)改變，同時(shí)克服了其固有的可變性。使用深度學(xué)習(xí)模型進(jìn)行溫度估計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，是它可以近似熱量與α-石英、莫干巖以及D和G波段光譜區(qū)域因熱量而產(chǎn)生的光譜變化之間的任何非線性決策邊界。

在下圖中，石塊從視覺上并不能看出任何被火燒過的痕跡，而通過使用深度學(xué)習(xí)模型，對從石塊中收集的紫外拉曼光譜的熱暴露進(jìn)行估計(jì)，發(fā)現(xiàn)它們都曾被加熱至200°C至600°C之間。這暗示了古人類具備控制火的能力而非僅僅使用自然野火。

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后續(xù)討論
對于挖掘出的骨骼，研究團(tuán)隊(duì)也經(jīng)過實(shí)驗(yàn)確認(rèn)了它們曾被火燃燒過，作者之一Chazan表示：「如果沒有人工智能驗(yàn)證的燧石結(jié)果，沒有人會費(fèi)心測試這些骨頭的熱暴露情況」。

這項(xiàng)研究盡管尚無法確定該遺址的工具是被自然火還是人工火燃燒的。燃燒痕跡所導(dǎo)致的空間變化可以解釋為人類干預(yù)的證據(jù)，因?yàn)樽匀换鹜ǔ�會�?dǎo)致整個(gè)燃燒區(qū)域的同質(zhì)熱變化。

作者承認(rèn)，野火和參差不齊的植被也可能導(dǎo)致整個(gè)區(qū)域的溫度分布不均勻，并且溫度并不是使用野火和人工火之間的可靠區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)。但盡管如此，石器時(shí)代器具的估計(jì)溫度、燃燒過的動物群的存在，仍能表明該遺址的古人類曾使用火的可能性。

在未來，這項(xiàng)研究所使用的方法可以擴(kuò)展到其他舊石器時(shí)代晚期的遺址，這將有可能擴(kuò)大人們對早期古人類與火之間關(guān)系的時(shí)空理解，打開了解早期人類生活的窗口。