在探索寄居蟹住房市场的过程中，达特茅斯学院的生物学家马克·莱德尔不得不发挥创造力。寄居蟹总是在寻找更大、更好的壳，但拥有优质的住所也伴随着风险。有时，寄居蟹会联合起来，把住在特别受欢迎壳里的蟹子拉出来。如果成功，最大的蟹子会迅速占领这个壳，接着又会留下一个空壳，让稍微小一点的蟹子抓住，依此类推，直到每个蟹子都升级。
为了更好地评估壳的大小与防御能力之间的权衡，莱德尔与一位工程师合作，创造了寄居蟹驱逐机。这种装置能够抓住一个被占用的壳，并测量科学家把蟹子拉出来所需的力量（寄居蟹不会受到伤害或无家可归）。它基本上是一个便携式的负载传感器，能够耐受阳光、沙子和潮湿的环境。
驱逐寄居蟹所需的力量是一个重要的测量，因为对寄居蟹来说，抓住自己的家是生死攸关的问题。莱德尔说：“如果你被驱逐，最终留下的壳很可能太小，连你都进不去。”在他位于哥斯达黎加的一片海滩上的研究区域，无家可归的寄居蟹很快就会被捕食者或高温所击败：“从某种意义上说，你真的就死定了。”
研究其他动物的思维带来了一个挑战，这是人类心理学家通常不会面对的：你的实验对象无法告诉你他们在想什么。为了从动物那里获得答案，科学家们需要设计创造性的实验，以了解它们为什么这样行为。有时这需要从零开始设计和建造实验设备。
动物行为科学家创造的 DIY 装置从巧妙简单到复杂不一，所有这些装置都是为了解答特定物种的生活和思维问题，从昆虫到大象。蜜蜂需要良好的睡眠吗？跳蛛觉得什么性感？猎鹰喜欢解谜吗？对于这些问题，现成的设备根本无法满足需求。
驱逐机的灵感来源于莱德尔对寄居蟹的好奇心。但有时，对动物的新问题又是受到某个有趣设备或技术的启发，就像莱德尔的另一项发明：寄居蟹逃生室（稍后会提到）。莱德尔表示，关键是确保你提出的问题与动物的生活息息相关。
以下是科学家们为更好理解所研究动物的生活和思维而定制的五个装置。
猎鹰创新盒
鹦鹉和乌鸦家族中的聪明鸟类一直是鸟类智力科学研究的明星。而现在，这些聪明的小家伙们迎来了一个意想不到的新对手：猎鹰。猛禽并不以创造性解决问题而闻名，但维也纳兽医医科大学的行为生态学家凯蒂·哈灵顿怀疑她在遥远的福克兰群岛观察到的条纹卡拉卡拉猎鹰与众不同。“它们对探索事物非常感兴趣，”她说。“总的来说，它们是非常聪明的鸟。”
为了测试它们的智力，哈灵顿从为戈芬鹦鹉设计的“创新竞技场”中获得灵感。这个竞技场是一个半圆形的、宽约七英尺的塑料箱阵列，包含 20 个需要不同解决方案的谜题，以释放奖励，如腰果或玉米粒。将这个竞技场拖到福克兰岛并不可行，因此哈灵顿设计了一个宽 16 英寸的“创新盒”，固定在一块木板上，设有八个隔间和从鹦鹉研究中改编的谜题。
鸟儿们对此爱不释手。“我们看到卡拉卡拉们全速奔跑参与其中，”哈灵顿说。挑战在于在一只鸟解谜的时候，要将其他鸟驱赶开。这些鸟能够解决谜题，包括晃动一块木板以击倒一块羊肉，或从一个有羊肉的平台下拉出一根树枝。它们甚至能解决一个棘手的谜题，需要在遮挡美味的小吃的纸巾上打一个洞——这个任务让一些鹦鹉束手无策。
实际上，15 只猎鹰中有 10 只成功解决了所有谜题，而且大多数只用了两个回合就完成。因此，哈灵顿设计了八个新的更难的任务，但很快发现一些任务需要卡拉卡拉进行不自然的动作。她计划继续尝试寻找能够揭示它们身体和智力能力的任务。“它们完全愿意向我们展示，”她说，“只要我们能设计出足够好的东西，让它们能够展示出来。”
浣熊智能盒
为什么浣熊在城市生活中如此出色？一种理论认为，这是因为它们具备灵活的思维。为了验证这一观点，加州大学伯克利分校的认知生态学家劳伦·斯坦顿改编了一个经典的实验，称为逆转学习任务。在这个测试中，动物被奖励以持续选择两个选项中的一个，但随后正确答案会被逆转，使得另一个选项获得奖励。灵活的思维者在应对这些逆转时更具优势。“它们能更好地调整选择，随着时间推移，速度会更快，”斯坦顿说。
为了测试怀俄明州拉拉米市野生城市浣熊的学习能力，斯坦顿和她的团队在城市边缘建造了一组“智能盒”，每个盒子配有天线，以识别那些曾被捕获并植入微芯片的浣熊。在盒子内部，浣熊发现了两个大型按钮——来自游戏厅的供应商——它们可以按下其中一个按钮以获取奖励。在一个单独的隔间里，一块便宜的 Raspberry Pi 计算机板，通过摩托车电池供电，记录浣熊按下的按钮，并在它们完成 10 个选择中的 9 个正确选择后立即切换奖励按钮。一个马达转动着一个带孔的圆盘，从漏斗中分发狗粮作为奖励。
许多浣熊——还有一些臭鼬——出乎意料地热衷参与，这使得获取干净数据变得具有挑战性。“我们有好几只浣熊同时挤进设备里，像是三四只动物都在争着要进去，”斯坦顿说。她还不得不使用更强的粘合剂来固定按钮，因为几只特别热情的浣熊把它们撕了下来。（她在透明按钮里放了一些狗粮，以鼓励动物按下它们。）
令人惊讶的是，智能盒显示出更害羞、更温顺的浣熊是最佳学习者。
跳蛛眼动追踪器
行为生态学家伊丽莎白·雅各布对跳蛛感兴趣的地方在于它们的举止。“它们看起来总是充满好奇，”她说。与其他蜘蛛不同，后者大部分时间静止在网中，跳蛛则活跃于外，捕猎猎物和求偶。雅各布希望了解它们小如芝麻的脑子里发生了什么。这些微小的蜘蛛到底在乎什么呢？
雅各布通过观察跳蛛的眼睛来寻找线索，特别是它们两只主要的眼睛，这些眼睛在弯形视网膜的中心具备高精度的色彩视觉。她使用了一种源自眼底镜的工具，这种工具经过特别改装，以便在半个多世纪前专门研究跳蛛的眼睛。包括雅各布和她在马萨诸塞大学阿默斯特分校的学生在内的几代科学家在此设计基础上不断改进，逐渐将其转变为一个迷你电影院，可以追踪跳蛛主要眼睛后面视网膜管的运动和扭动。
在追踪器前，一只跳蛛被固定住，同时一段关于蟋蟀轮廓的视频通过追踪器的镜头投射到跳蛛的眼中。与此同时，一束红外光被反射到跳蛛的视网膜上，再通过镜头反射回并由相机记录下来。这些反射的记录会叠加到视频上，准确显示出跳蛛所注视的内容。雅各布发现，对于跳蛛来说，除了潜在的蟋蟀晚餐之外，几乎没有什么比一个不断变大的黑点更让它们感兴趣。这可能是接近的掠食者？跳蛛低分辨率的副眼在视频屏幕的角落捕捉到这个逼近的黑点，促使主要眼睛从蟋蟀身上移开，以便更清楚地观察。
雅各布的眼动追踪器也激发了其他科学家创造性实验的灵感。辛辛那提大学的视觉生态学家内特·莫尔豪斯利用这一追踪器揭示了一种跳蛛雌性并不太关注雄性求偶者的华丽红色面具和鲜艳绿色腿部——它们在求偶展示时真正关注的是雄性的橙色膝盖。“能够深入了解它们实际关心的东西真是太酷了，”雅各布说。
寄居蟹逃生室
寄居蟹并不只是满足于找到最好的空蜗牛壳——它们还会对家进行改造。寄居蟹的壳随着时间的推移而变得更好，因为每个新的住户都会进行家居改造，比如加宽入口或雕刻出更开阔、宽敞的内部空间。
达特茅斯大学的马克·莱德雷研究寄居蟹及其壳的偏好已有十多年。当他意识到可以利用微型 CT X 光机创建壳的三维数字扫描时，他立即开始构思实验的可能性。为了更好地理解寄居蟹的选择，他扫描了那些显然受到青睐的壳，并在此基础上进行了改动，然后用塑料进行 3D 打印。“我们可以在这些壳上添加一些小元素，改变其外部或内部结构，”莱德雷说。
接下来，莱德雷给寄居蟹设计了一个难题。他将它们单独放在一个带有小出口的箱子里（如下图所示），并让它们在两种壳之间进行选择：一种非常不错、宽敞的壳，但外面加了尖刺，因此螃蟹无法通过出口；另一种壳虽然适合它们通过，但内部有不舒服的刺突。它们能否想出逃脱的方法？“这实际上就是一个逃生室，”莱德雷说。
当不被困时，螃蟹更喜欢外面有突起的舒适壳，爪子向下。然而，寄居蟹是社交动物，喜欢和其他螃蟹在一起，这让它们有了逃脱孤独监禁的动力。到一天结束时，超过三分之一被困的螃蟹评估了自己的情况，从劣质壳中移动，成功逃脱。
解决一个全新的问题需要一定的思维能力，而这种能力往往被低估。莱德雷怀疑，这种认知能力可能是成功逃脱的螃蟹与未能逃出的螃蟹之间的区别。
蜜蜂失眠机
困倦的人通常交流不佳。威斯康星大学拉克罗斯分校的昆虫学家巴雷特·克莱因想知道，困倦的蜜蜂是否也会如此。这些社会性昆虫有一种复杂的交流系统，称为摇摆舞，能够向其他蜜蜂传达花蜜的位置。疲倦的蜜蜂在摇摆舞方面表现得更差吗？为了找到答案，克莱因需要一种方法来让蜜蜂整晚保持清醒。
为了探究蜜蜂的睡眠对其交流能力的影响，威斯康星大学拉克罗斯分校的昆虫学家巴雷特·克莱因（Barrett Klein）想知道昏昏欲睡的蜜蜂是否在“摇摆舞”中表现不佳。他的研究旨在比较休息好的蜜蜂与疲惫蜜蜂的舞蹈效果。
克莱因考虑过摇晃蜜蜂的巢箱，但这样会让所有蜜蜂愤怒地飞出来。他希望能让一部分蜜蜂保持清醒，而另一部分则安静入睡，以便第二天进行比较。他也想过将单只蜜蜂放入小瓶中定期摇动，但这样无法确定舞蹈变化是由于疲劳还是孤立所致。他甚至考虑过用气流喷射、戳蜜蜂，或者用聚焦的红外线照射蜜蜂的面部。“试想一下要对着所有朝不同方向的蜜蜂这样做，”克莱因说，“那简直太疯狂了。”
最终，他决定使用钕铁硼稀土磁铁，来摇动在蜜蜂翅膀间用松脂粘贴金属薄片的蜜蜂。“我必须制作一个狭窄的巢箱，两个侧面用只有两毫米厚的玻璃制成，并让磁铁靠得非常近，但又不能碰到或刮到玻璃，”克莱因说。这个名为“Insominator”的装置的最大挑战在于，克莱因得整夜保持清醒，每分钟要在巢箱旁边来回摇动磁铁三次，自己也得和蜜蜂一起熬夜。
但这一切都是值得的：克莱因发现，困倦的蜜蜂确实是舞蹈拙劣者。它们的舞蹈变得更短，方向也不够准确——这种沟通不畅可能导致其他蜜蜂在找不到花的情况下四处搜索。在后续研究中，克莱因发现其他蜜蜂对这些困倦的舞蹈并不感兴趣，迅速离开去寻找表现更好的舞者。
值得庆幸的是，他后来对 Insominator 进行了升级，使磁铁的滚动变得自动化。
贝茜·梅森是一名自由职业的科学记者和编辑，常驻旧金山湾区。
https://www.technologyreview.com/2024/10/23/1105196/animal-mind-diy-tech-scientists-hermit-crabs-jumping-spiders/