في صيف عام 2021 ، على قمة المنحدرات الساحلية في سانتا باربرا ، كاليفورنيا ، جثم كريس كيلي ، الذي كان طالبًا جامعيًا في الجامعة القريبة ، لسحب حزمة من المعدن والمطاط من حقيبته. لقد كان روبوتًا قضى عدة دقائق في التصفية منه.
عندما انتهى ، سجل رقمًا قياسيًا على كاميرا جهاز iPhone الخاص به وشاهد الروبوت وهو يطلق نفسه عالياً في الهواء ، ويرسم قوسًا طويلًا في السماء ويهبط بدقة بالقرب من قدميه. كيلي مرتاح. فشل العديد من قفزات الاختبار السابقة. لم يكن الأمر كذلك إلا في وقت لاحق من تلك الليلة عندما عاد إلى غرفة نومه وقام بتنزيل بيانات الانتقال على جهاز الكمبيوتر المحمول الخاص به حتى أدرك مدى نجاحه.
وصل الوثب إلى ارتفاع قياسي بلغ حوالي 32.9 مترًا ، بقيادة كيلي ومعاونيه إليوت هوكس، باحث هندسة ميكانيكية بجامعة كاليفورنيا ، سانتا باربرا ، ذكرت في أبريل in الطبيعة. لم يقتصر الأمر على قفزها أكثر من ثلاث مرات أعلى من الروبوتات التجريبية الأخرى المصممة لهذه المهمة ، بل إنها قفزت أكثر من 14 مرة أعلى من أي مخلوق آخر في مملكة الحيوان. في جميع الاحتمالات ، قفز الروبوت الخاص بهم أعلى من أي وقت مضى على الأرض.
"أعتقد أن هذا هو واحد من عدد قليل جدًا من الروبوتات التي تتفوق في الواقع على علم الأحياء ، والطريقة التي تتفوق بها على البيولوجيا ذكية بشكل لا يصدق ،" ريان سانت بيير، الأستاذ المساعد في قسم الهندسة الميكانيكية وهندسة الطيران بجامعة بوفالو الذي لم يشارك في الدراسة.
يسلط نجاح الروبوت الضوء على القيود المادية التي يواجهها لاعبو القفز البيولوجي في البرية. على الرغم من أن هذه القيود تمنع البشر من الانتقال إلى متجر البقالة كما لو كانوا على عصي البوجو وتمنع الضفادع من السقوط من السحاب ، فقد توصل علم الأحياء إلى حلول مبتكرة خاصة به تدفع ارتفاع القفزة وطولها إلى أقصى حد ممكن. ، من خلال تعديلات ميكانيكية حيوية صغيرة مصممة خصيصًا لتلبية احتياجات القفز لكل حيوان.
حتى المهندسين الذين يقفون وراء أعظم قفزة في العالم لا يزالون في حالة من الرهبة من تصميمات علم الأحياء الخاصة. قال كيلي الآن ، "في كل مكان أرى فيه أقفز." "لا يمكنني مساعدة نفسي."
فعل القفز
كتب الباحثون أن القفزة هي فعل حركي ناتج عن تطبيق القوة على الأرض دون فقدان أي كتلة ؛ وبالتالي ، فإن الصاروخ الذي يفقد الوقود عند إطلاقه ، أو السهم الذي يترك قوسه ، لا يحتسب.
العضلات هي المحركات البيولوجية التي توفر الطاقة للحركات. من أجل القفز ، تنحني على الأرض وتنقبض عضلات ربلتك وعضلات أخرى ، وهي عملية تحول الطاقة الكيميائية المتوفرة في العضلات إلى الطاقة الميكانيكية. تقوم الأوتار ، وهي عبارة عن أنسجة قابلة للتمدد تصل العضلات بالهيكل العظمي ، بنقل تلك الطاقة الميكانيكية إلى العظام ، والتي تستخدم تلك الطاقة للضغط على الأرض لدفع الجسم إلى الأعلى.
يعمل القفز بطرق متشابهة بشكل مدهش عبر الأحجام والمقاييس في مملكة الحيوان - لكن بعض مراوغات التصميم الميكانيكي الحيوي تسمح لمخلوقات معينة بدفع الحدود البيولوجية. تعادل قوة القفزة مقدار الطاقة المتاحة لآلية القفز لكل وحدة زمنية أثناء الدفع. كلما زادت الطاقة التي تولدها عضلاتك وكلما زادت سرعة نزولك عن الأرض ، زادت قوة القفزة.
ولكن عندما تصبح الحيوانات أصغر حجمًا ، تصبح أرجلها أقصر وتتلامس مع الأرض لوقت أقل أثناء الإطلاق. لذلك يجب أن يكونوا قادرين على إطلاق الطاقة للقفز المفاجئ. بالنسبة لهذه المخلوقات الصغيرة ، توصلت الطبيعة إلى حل مبتكر: تخزين معظم طاقة القفز في أنسجة عالية المرونة تعمل الينابيع البيولوجية، شرح جريج ساتون، أستاذ وزميل باحث في جامعة لينكولن في إنجلترا.
عند العودة إلى طولها الأصلي ، يمكن أن تطلق الينابيع تلك الطاقة المخزنة بشكل أسرع بكثير من العضلات ، مما يزيد من القوة المتاحة للقفز. نتيجة لذلك ، فإن بعض أفضل لاعبي القفز في العالم البيولوجي هم من يستخدمون الينابيع.
على سبيل المثال ، يقوم الجندب بتخزين طاقة عضلات ساقه الخلفية في الينابيع الموجودة على المفاصل. هذه الينابيع ، التي تشبه حبوب الفاصوليا ، تمكن الجندب من زيادة الطاقة بمقدار 20 إلى 40 مرة لكل وحدة من الكتلة في قفزته مقارنةً بالعضلات البشرية. على الرغم من أن القوة الإجمالية للجندب أقل بكثير من القوة التي يولدها الإنسان القافز ، إلا أن كثافة قوتها ، أو القوة لكل وحدة كتلة ، أعلى بكثير. نتيجة لذلك ، يمكن للجندب أن يقفز إلى ارتفاع حوالي 0.5 متر - وهو نفس الارتفاع الذي يستطيع البشر في المتوسط ، ولكن عشرات أضعاف طول جسم الجندب.
تتضاءل قوة التعزيز التي يحصل عليها الجنادب من الينابيع مقارنة بما يمكن لبعض لاعبي القفز الصغار الآخرين حشده. يمكن للبراغيث أن تحقق ما بين 80 إلى 100 ضعف قوة العضلات البشرية ، في حين أن الحشرات التي تسمى نطاطات الضفادع يمكن أن تولد 600 إلى 700 ضعف ذلك. يكمن سر نطاطات الضفادع في أن زنبرك لتخزين طاقة القفز موجود في صدرها ؛ تتيح المسافة الإضافية لتقلص العضلات توصيل المزيد من القوة. قال ساتون: "سيكون الأمر كما لو أن عضلات وركك ، بدلاً من أن تلتصق بالحوض ، متصلة بكتفيك".
بعض الحيوانات ، مثل حيوان الكنغر ، ليس لديها نوابض منفصلة في تصميمها الميكانيكي الحيوي ، لكن لديها أنظمة عضلية أكثر مرونة ، مثل الأوتار التي تخزن الكثير من الطاقة للقفز أعلى. الجلاجو الأصغر ، على سبيل المثال - قفز نجمي بين الفقاريات - لديه أوتار شديدة التمدد يمكن أن يقفز بها ارتفاع أكثر من مترين ، ويصل طول جسمه إلى 2 مرة. (تخزن الأوتار البشرية القليل من الطاقة ويمكن أن تتصرف مثل الينابيع ، لكنها ليست فعالة عن بعد مثل الإصدارات الربيعية في الحيوانات الأخرى).
تصعيد
على مدار نصف قرن على الأقل ، قام الباحثون بتحليل أداء بعض هذه القافزات البيولوجية المذهلة للإبلاغ عن تصميماتهم للقافزات الميكانيكية. لكن هذه الدراسة الجديدة قد تكون المرة الأولى التي يدرك فيها المهندسون الذين يصممون لاعبا ميكانيكيًا أنه "لا يتعين عليك القيام بما تفعله البيولوجيا". شيلا باتيك، أستاذ علم الأحياء بجامعة ديوك.
وصل الروبوت الجديد إلى ارتفاعات قياسية في القفز من خلال التغلب على قيود على التصاميم البيولوجية والقيام بما لا تستطيع الحيوانات القيام به. قال ساتون: "لا تستطيع العضلات السقاطة". حتى لو نقلت العضلات طاقة تقلصها إلى زنبرك متصل ، عندما تطول مرة أخرى ، يتم إطلاق هذه الطاقة. وبالتالي فإن الطاقة المتاحة لقيادة القفزة تقتصر على ما يمكن أن توفره عضلة واحدة.
ولكن في روبوت الريح ، يعمل المزلاج على تثبيت الزنبرك الممتد في موضعه بين حركات التدوير ، لذلك تستمر الطاقة المخزنة في التزايد. تضاعف عملية التصعيد هذه كمية الطاقة المخزنة المتاحة لإطلاق القفزة النهائية. علاوة على ذلك ، قال ساتون ، إن المقطع العرضي المربع لنابض الروبوت يمكّنه من تخزين ضعف الطاقة مثل الينابيع البيولوجية ، والتي لها تصميم مثلثي الشكل.
لماذا لم تطور المخلوقات البيولوجية بعض القدرة على تسريع عضلاتها أو تحريك نفسها أعلى وأبعد وأسرع؟
العضلات قديمة جدا من الناحية التطورية. لا تختلف كثيرًا بين الحشرات والبشر. قال ساتون: "لقد حصلنا على عضلات من أسلافنا الذين ليس لديهم عمود فقري". "تغيير الخصائص الأساسية للبتات أمر صعب حقًا للتطور."
لو كان هناك المزيد من الضغط التطوري للقفز عاليًا حقًا ، "أعتقد أننا كنا قد طورنا لاعبين لاعبي الوثب العالي حقًا ،" تشارلي شياو، طالب دكتوراه ومؤلف مشارك مع Keeley وآخرين في دراسة الروبوت الجديدة. لكن الضفادع والجنادب والبشر يحتاجون إلى البناء ليس فقط للقفز ، ولكن للتكاثر والعثور على الطعام والهروب من الحيوانات المفترسة والقيام بكل شيء آخر تتطلبه الحياة.
ريتشارد إسنر، أستاذ العلوم البيولوجية في جامعة جنوب إلينوي إدواردسفيل ، شرح كيف يمكن أن تعمل هذه المقايضات. قال ليس هناك العديد من المواقف التي تريد القفز فيها بشكل مستقيم. في أغلب الأحيان ، عندما تحتاج الضفادع والمخلوقات الصغيرة الأخرى إلى قوة القفز ، فذلك لأنهم يحاولون الهروب من حيوان مفترس خلفهم. ثم يريد الضفدع أن يضع بسرعة أكبر مسافة ممكنة بينه وبين المفترس. من المحتمل أن يقلل الضفدع من زاوية إقلاعه ، مما يؤدي إلى تسطيح مساره للقفز أبعد من الارتفاع - ولكن ربما ليس أبعد ما يمكن ، لأن القفز إلى بر الأمان عادة ما يتضمن سلسلة من القفزات. تقوم معظم الضفادع بطي أرجلها تحت أجسامها في الجو بحيث تكون جاهزة للقفز مرة أخرى بمجرد هبوطها.
من المثير للدهشة أنه لا يوجد دائمًا ضغط اختيار طبيعي للهبوط بشكل صحيح بعد القفزة الكبيرة. مؤخرا في علم السلف، أفاد إيسنر وفريقه أن البرمائيات تسمى اليقطين العلجوم ، بعضها أصغر من طرف قلم رصاص حاد ، دائمًا ما تهبط عندما تقفز. حجمها الصغير هو أصل مشكلتها: مثل الحيوانات الأخرى ، تحصل الضفادع على إحساسها بالتوازن من الجهاز الدهليزي في أذنها الداخلية. ولكن نظرًا لأن نظامها الدهليزي صغير ، فإنه غير حساس نسبيًا للتسارع الزاوي ، مما يجعل الضفادع غير مجهزة للتكيف مع الهبوط أثناء القفز.
وقال ساتون إنهم ليسوا وحدهم في الهبوط بشكل سيئ: فالجنادب "مروعون في ذلك أيضًا".
في مشروع بقيادة طالبة الدراسات العليا كلوي غود ، تدرس مجموعة ساتون حاليًا سبب دوران الجنادب دون حسيب ولا رقيب أثناء القفز. في تجاربهم ، قاموا بتجهيز الحشرات بقبعات صغيرة ثقيلة الوزن لتغيير مركز جاذبيتها. وجد الباحثون أن هذا كان كافيًا لمنع الجنادب من الدوران في الهواء ، مما قد يمنح الجنادب من الناحية النظرية مزيدًا من التحكم في هبوطها. ليس لدى ساتون وفريقه أي فكرة عن سبب عدم تطور الحشرات مع زيادة الوزن قليلاً في رؤوسهم لتحقيق هذا الاستقرار.
ولكن في حين أن الهبوط المحطم يبدو محفوفًا بالمخاطر بالنسبة لنا كمخلوقات ضخمة نسبيًا معرضة لخطر كسر العظام ، إلا أنها أقل إشكالية بالنسبة للمخلوقات الأصغر. قال إيسنر: "إنها ظاهرة تصاعدية". وقال إنه مع زيادة الحجم تزداد كتلة الجسم بسرعة أكبر من منطقة المقطع العرضي للعظام الداعمة ، والتي تحدد قوتها. بالمقارنة مع الفيل ، يمتلك الفأر الكثير من العظام التي تدعم الحد الأدنى من كتلته.
قال إيسنر إن المخلوقات الصغيرة "لا تتعرض لأي ضرر من السقوط". وأضاف إيسنر أنه ربما لم يكن هناك ضغط اختيار قوي بما يكفي لإجبار الجنادب وضفائر اليقطين على تطوير قدرتها على الهبوط بشكل صحيح ، مما حررهم من تطوير قدرات أخرى أكثر أهمية لبقائهم على قيد الحياة.
إعادة التفكير في الحدود
يخضع روبوت فريق هوكس لتطور خاص به. يعمل الباحثون مع وكالة ناسا لتطوير أجهزتهم إلى روبوت يعمل بكامل طاقته يمكنه جمع عينات من عوالم أخرى ، باستخدام القفزات الخاضعة للرقابة لاجتياز مسافات طويلة بسرعة. وقال شياو إنه على سطح القمر ، حيث لا يوجد غلاف جوي ولا سحب جوي وسدس جاذبية الأرض فقط ، يمكن للروبوت أن يقفز نظريًا أكثر من 400 متر. يأملون في إطلاقه على القمر في السنوات الخمس المقبلة أو نحو ذلك.
وإذا كانت هناك حياة على كواكب أخرى ، فقد تحتوي على أشياء جديدة لتعلمنا عن القفز. في الجاذبية المنخفضة ، يمكن أن يصبح القفز أسهل وأسرع من الطيران ، لذلك قد تتطور الكائنات الحية "شخصيات قفز تشبه ماريو" ، كما قال ساتون.
قد تحتوي الحياة الفضائية أيضًا على عضلات تعمل بشكل مختلف ، ربما مع حلولها الشبيهة بالسقاطة لتخزين الطاقة. قال سانت بيير: "ربما لديهم هياكل ميكانيكية حيوية سخيفة حقًا ، [مثل] يمكنهم تخزين الطاقة بطريقة أكثر تعقيدًا".
ولكن حتى على الأرض ، تستمر الحيوانات في مفاجأة الباحثين. كما أظهرت إحدى الدراسات التحذيرية ، فإن أقصى أداء للقفز للحيوان ليس دائمًا كما نعتقد.
كل عام ، تستضيف مقاطعة كالافيراس ، كاليفورنيا ، اليوبيل القافز للضفدع المستوحى من القصة القصيرة الشهيرة لمارك توين. في هذه المعارض ، ورد أن الضفادع الأمريكية قد قفزت مترين أفقيًا ، "خارج نطاق ما ينبغي أن تكون عليه". هنري أستلي، أستاذ مساعد في جامعة أكرون. كان من المعروف في السابق أن الضفدع الأمريكي يقفز بحد أقصى 1.3 متر. لذلك منذ حوالي عقد من الزمان ، عندما بدأ أستلي في الحصول على الدكتوراه ، سافر إلى كاليفورنيا لتسوية المشكلة.
في اليوبيل ، استأجر هو وزملاؤه بعض الضفادع ، وأكلوا بعض كعكة القمع وذهبوا إلى العمل. من خلال تحليل بيانات قفزة الضفادع من فرق المنافسة وأعضاء عامة الناس ، اكتشفوا أن التقارير لم تكن مبالغة. أكثر من نصف القفزات التي سجلوها كانت أبعد من تلك الموجودة في الأدبيات. أدركوا في النهاية (و بالتفصيل لاحقًا في ما يسميه ساتون "أعظم ورقة قفز تمت كتابتها على الإطلاق") أن جزءًا على الأقل من سبب التناقض هو اختلاف دوافع الضفادع. في الأجواء الخارجية لمسابقة مقاطعة كالافيراس ، كانت الضفادع خائفة من "فرسان الضفادع" ، الأشخاص الذين يؤدون اندفاعًا كامل الجسم نحو الضفادع بسرعات عالية. لكن في المختبر ، حيث لم تكن مثل هذه الحركات الدرامية شائعة ، لم تكن الضفادع خائفة من أي شخص. لقد أرادوا فقط أن يُتركوا وشأنهم.
