AI結合拉曼光譜 為古人類用火研究提供新工具
【化工儀器網 項目成果】火在人類演化過程中有著關鍵地位。控制性用火幫助人類自由獲取熟食、驅寒保暖、制造工具、照亮黑暗等，對于人類的生存發展以及大腦發育都發揮了重要地位。目前人類最早在什么時候開始用火尚無明確的結論。因此從古人類遺跡中獲得確鑿的用火證據對于人類學研究來說非常重要。
用火研究主要包括兩個方面，一是獲取燃燒的證據，二是確認古人類的控制性用火行為。然而由于年代過于久遠信息保存不全、檢驗分析方法有限等因素的影響，很難對古人類遺址區域發現的用火證據進行確定無誤的認定。隨著技術的進步，一些更精確更可靠的方法被開發利用，學術界在古人類用火研究上才有了一定進展。如利用傅里葉變換紅外光譜分析和微觀地層形態學分析對南非北部開普敦的 Wonderwerk洞穴進行檢驗之后，研究者證實該地有古人類用火的可信證據，從而將人類最開始用火的年代推至距今約100萬年前。
近日，以色列的一個研究團隊利用人工智能算法結合拉曼光譜技術，從以色列的舊石器時代早期露天遺址(Evron Quarry)中發現了被火燒過的動物和巖屑殘存。這些殘存距今約100萬至80萬年前之間。
材料在受熱之后其光譜特征會發生改變，傅里葉變換紅外光譜在用火研究中的應用即基于此。而研究團隊以拉曼光譜為基礎，結合一個深度學習模型(一維卷積神經網絡)來學習燧石在加熱至不同溫度后的拉曼光譜變化，將光譜模式與燧石的加熱溫度聯系起來，并將訓練之后的模型應用于從Evron Quarry遺址采集的石器，從而判斷該遺址的時期是否曾被燒過。
在研究中，團隊分析了26件燧石工具的熱暴露情況，結果顯示部分工具曾被加熱到600攝氏度以上。此外，對于該遺跡動物遺骸的光譜分析也發現，其中有一頭已滅絕大象的象牙曾因加熱導致了結構發生變化。
此前的用火研究分析方法，包括微觀形態分析、磁學方法和紅度分析、元素分析等都只能判斷是否發生過燃燒事件，光譜分析方法還可以研究樣品被加熱的溫度。而將深度學習算法與光譜分析技術相結合，不僅讓樣品的熱暴露情況研究更加簡單方便，也提高了估計溫度與真實溫度之間的誤差，為人類用火研究提供更有力的工具。
然而目前的技術水平始終難以完全確定遺址中發生的燃燒痕跡是自然的還是人工的。研究人員只能通過不同的檢驗方法獲取多方面的信息，相互結合和補充，以期得到一個可靠性較高的，能夠被普遍認可的結論。
人工智能技術的應用是一個很大的進步，它不僅可以與拉曼光譜結合，在其他分析方法中也能發揮非常大的作用。隨著技術的不斷發展，我們對古人類的歷史將有更多的了解，從而進一步揭開人類演化的秘密。
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