I sommeren 2021, på toppen af kystklipperne i Santa Barbara, Californien, krøb Chris Keeley, som dengang var bachelor ved det nærliggende universitet, sammen for at trække et bundt metal og gummi ud af sin rygsæk. Det var en robot, som han brugte flere minutter på at afvikle.
Da han var færdig, slog han rekord på sin iPhones kamera og så robotten starte sig højt op i luften, tegne en høj bue på himlen og lande pænt nær hans fødder. Keeley var lettet; mange tidligere testspring havde mislykkedes. Det var først senere på natten, da han vendte tilbage til sit soveværelse og downloadede springdataene til sin bærbare computer, at han indså, hvor godt det havde fungeret.
Springeren havde nået en rekordhøjde på omkring 32.9 meter, da Keeley og hans samarbejdspartnere, anført af Elliot Hawkes, en maskinteknisk forsker ved University of California, Santa Barbara, rapporterede i april in Natur. Ikke alene var den hoppet mere end tre gange højere end andre eksperimentelle robotter, der var konstrueret til den opgave, den var hoppet mere end 14 gange højere end nogen anden skabning i dyreriget. Efter al sandsynlighed sprang deres robot højere end noget nogensinde har haft på Jorden.
"Jeg tror, at dette er en af de meget få robotter, der rent faktisk udkonkurrerer biologien, og måden den udkonkurrerer biologien på er utrolig smart," sagde Ryan St. Pierre, en assisterende professor i afdelingen for mekanisk og rumfartsteknik ved University of Buffalo, som ikke var involveret i undersøgelsen.
Robottens succes fremhæver de fysiske begrænsninger, som biologiske springere står over for i naturen. Selvom disse begrænsninger forhindrer mennesker i at hoppe til købmanden, som om de er på pogo-pinde og forhindrer frøer i at falde ud af skyerne, har biologien fundet frem til sine egne geniale løsninger, der skubber springhøjde og -længde så langt, som de kan gå. , gennem små biomekaniske tweaks skræddersyet til hvert dyrs springbehov.
Selv ingeniørerne bag verdens største jumper er stadig i ærefrygt for biologiens egne designs. Nu, "overalt, hvor jeg kigger, ser jeg hoppe," sagde Keeley. "Jeg kan ikke dy mig."
Handlingen om at hoppe
Et hop er en bevægelseshandling forårsaget af påføring af kraft til jorden uden tab af nogen masse, skrev forskerne; således tæller en raket, som mister brændstof ved opsendelsen, eller en pil, som forlader sin bue, ikke.
Muskler er de biologiske motorer, der giver energi til bevægelser. For at hoppe sætter du dig på huk og trækker dine lægge og andre muskler sammen, en proces, der omdanner kemisk energi, der er tilgængelig i musklerne til mekanisk energi. Sener, strækvæv, der forbinder muskler til skelettet, overfører den mekaniske energi til knoglerne, som bruger denne energi til at skubbe mod jorden for at drive kroppen opad.
Spring fungerer på overraskende ens måder på tværs af størrelser og skalaer i dyreriget - men nogle biomekaniske design-quirks tillader visse væsner at skubbe de biologiske grænser. Kraften af et spring svarer til, hvor meget energi der er tilgængelig for springmekanismen pr. tidsenhed under push-off. Jo mere energi dine muskler genererer, og jo hurtigere du kommer fra jorden, jo kraftigere vil springet være.
Men efterhånden som dyrene bliver mindre, bliver deres ben kortere og er i kontakt med jorden i kortere tid under opsendelsen. De skal derfor kunne frigive energien til et spring med eksplosiv pludselighed. For disse mindre væsner fandt naturen på en kreativ løsning: at lagre det meste af springenergien i meget elastisk væv, der fungerer som biologiske kilder, forklaret Greg Sutton, professor og forskningsstipendiat ved University of Lincoln i England.
Når de snapper tilbage til deres oprindelige længde, kan fjedre frigive den lagrede energi meget hurtigere end muskler kan, hvilket øger den tilgængelige kraft til springet. Som et resultat er nogle af de allerbedste hoppere i den biologiske verden dem, der bruger fjedre.
For eksempel lagrer en græshoppe energien fra sine bagbensmuskler i fjedre placeret på leddene. Disse fjedre, der ligner limabønner, gør det muligt for græshoppen at lægge 20 til 40 gange mere kraft pr. masseenhed i sit spring, end en menneskelig muskel kan. Selvom græshoppens samlede kraft er langt mindre end et springende menneske genererer, er dens krafttæthed eller kraft pr. masseenhed meget højere. Som et resultat kan græshoppen hoppe til en højde på omkring 0.5 meter - det samme i gennemsnit, som mennesker kan, men snesevis af gange græshoppens kropslængde.
Det kraftboost, som græshopper får fra deres fjedre, blegner i forhold til, hvad nogle andre små hoppere kan mønstre. Lopper kan opnå 80 til 100 gange krafttætheden af menneskelige muskler, mens insekterne kaldet froghoppers kan generere 600 til 700 gange så meget. Frøhoppernes hemmelighed er, at deres fjeder til opbevaring af springenergi er i deres thorax; den ekstra afstand til muskelsammentrækning muliggør levering af mere kraft. "Det ville være, som om dine hoftemuskler, i stedet for at fæstne sig til dit bækken, er knyttet til dine skuldre," sagde Sutton.
Nogle dyr, såsom kænguruer, har ikke separate fjedre i deres biomekaniske design, men de har mere elastiske muskelsystemer, såsom sener, der lagrer meget energi til at hoppe højere. Den mindre galago, for eksempel - en superstjernehopper blandt hvirveldyr - har ekstremt strækbare sener, med hvilke den kan springe mere end 2 meter høje og op til 12 gange sin kropslængde. (Menneskelige sener lagrer en lille smule energi og kan fungere som fjedre, men de er ikke så effektive som de fjedrende versioner hos andre dyr.)
løb løbsk
I mindst et halvt århundrede har forskere analyseret ydeevnen af nogle af disse fantastiske biologiske jumpere for at informere om deres design af mekaniske jumpere. Men denne nye undersøgelse markerer måske første gang, at ingeniører, der designer mekaniske jumpere, har indset, at "du ikke behøver at gøre, hvad biologi gør," sagde Sheila Patek, professor i biologi ved Duke University.
Den nye robot nåede rekordhøje spring ved at overvinde en begrænsning af biologiske designs og gøre, hvad dyr ikke kan. "Muskler kan ikke skralde," sagde Sutton. Selv hvis muskler overfører energien fra deres sammentrækning til en fastgjort fjeder, frigives den energi, når de forlænges igen. Den energi, der er til rådighed til at drive et hop, er derfor begrænset til, hvad en muskel kan give.
Men i oprulningsrobotten holder en lås den strakte fjeder på plads mellem krumningsbevægelserne, så lagret energi bliver ved med at opbygges. Denne skraldeproces multiplicerer mængden af lagret energi, der er tilgængelig for at starte det endelige spring. Desuden sagde Sutton, at det kvadratiske tværsnit af robottens fjeder gør det muligt for den at lagre dobbelt så meget energi som biologiske fjedre, som har et mere trekantet design.
Hvorfor udviklede biologiske væsner ikke en eller anden evne til at skralde deres muskler eller på anden måde bevæge sig højere, længere og hurtigere?
Muskler er evolutionært meget gamle; de adskiller sig ikke så meget mellem insekter og mennesker. "Vi fik muskler fra vores store-store-store-store-store-store-store rygradløse forfædre," sagde Sutton. "At ændre grundlæggende egenskaber ved bits er virkelig svært for evolutionen."
Havde der været mere evolutionært pres for at hoppe rigtig højt, "vi ville vel have udviklet rigtig højspringere," sagde Charlie Xiao, en ph.d.-studerende og medforfatter sammen med Keeley og andre på det nye robotstudie. Men frøer, græshopper og mennesker skal bygges ikke kun til at hoppe, men til at formere sig, finde mad, undslippe rovdyr og gøre alt det andet, som livet kræver.
Richard Essner, en professor i biologiske videnskaber ved Southern Illinois University Edwardsville, forklarede, hvordan disse afvejninger kan fungere. Der er ikke mange situationer, hvor du ønsker at hoppe lige op, sagde han. Oftest, når frøer og andre små væsner har brug for springkraft, er det fordi de forsøger at undslippe et rovdyr bag sig. Så vil frøen hurtigt placere så meget afstand mellem sig selv og rovdyret som muligt. Frøen vil sandsynligvis mindske sin startvinkel og udjævne dens bane for at hoppe længere i stedet for højere - men sandsynligvis ikke det længste, den kan, fordi det at hoppe i sikkerhed normalt involverer en række hop. De fleste frøer folder deres ben under deres krop i luften, så når de lander, er de klar til at hoppe igen.
Overraskende nok er der ikke altid naturligt selektionspres for at lande ordentligt efter et stort spring. For nylig i Science Forskud, rapporterede Essner og hans team, at padder kaldet græskartudser, hvoraf nogle er mindre end spidsen af en spids blyant, næsten altid styrter ned, når de hopper. Deres lille størrelse er roden til deres problem: Ligesom andre dyr får frøerne deres balancesans fra det vestibulære system i deres indre øre. Men fordi deres vestibulære system er lille, er det relativt ufølsomt over for vinkelacceleration, hvilket efterlader frøerne dårligt rustet til at tilpasse sig til at tumle under et spring.
De er ikke alene om at lande dårligt: Græshopper er også "bare forfærdelige til det", sagde Sutton.
I et projekt ledet af kandidatstuderende Chloe Goode studerer Suttons gruppe i øjeblikket, hvorfor græshopper spinder ukontrolleret under deres hop. I deres eksperimenter udstyrede de insekterne med små vægtede tophatte for at flytte deres tyngdepunkt. Forskerne fandt ud af, at dette var nok til at stoppe græshopperne i at snurre i luften, hvilket i teorien kan give græshopperne mere kontrol over deres landing. Sutton og hans team har ingen idé om, hvorfor insekterne ikke udviklede sig med lidt mere vægt i hovedet for den stabilitet.
Men selvom en styrtlanding lyder farligt for os som relativt massive væsner med risiko for at brække knogler, er det mindre problematisk for mindre væsner. "Det er et skaleringsfænomen," sagde Essner. Med stigende størrelse øges kropsmassen hurtigere end tværsnitsarealet af støtteknoglerne, hvilket bestemmer deres styrke, sagde han. Sammenlignet med en elefant har en mus en masse knogler, der støtter dens minimale masse.
Små væsner "oplever bare ikke nogen skade fra fald," sagde Essner. Der har måske ikke været stærkt nok udvælgelsespres til at tvinge græshopper og græskartudser til at udvikle evnen til at lande korrekt, hvilket frigjorde dem til at udvikle andre evner, der er vigtigere for deres overlevelse, tilføjede Essner.
Gentænke grænserne
Hawkes-teamrobotten gennemgår sin egen udvikling. Forskerne arbejder sammen med NASA om at udvikle deres enhed til en fuldt fungerende robot, der kunne indsamle prøver på andre verdener ved hjælp af kontrollerede hop til hurtigt at krydse lange afstande. På månen, hvor der ikke er nogen atmosfære, ingen luftmodstand og kun en sjettedel af Jordens tyngdekraft, kunne robotten teoretisk hoppe mere end 400 meter, sagde Xiao. Deres håb er at sende den til månen inden for de næste fem år eller deromkring.
Og hvis der er liv på andre planeter, kan det have nye ting at lære os om at hoppe. Ved lavere tyngdekraft kan det blive lettere og hurtigere at hoppe end at flyve, så organismer kan udvikle "Mario-lignende hoppekarakterer," sagde Sutton.
Fremmede liv kan også have muskler, der fungerer anderledes, måske med deres egne skralde-lignende løsninger til energilagring. "Måske har de virkelig latterlige biomekaniske strukturer, [sådan] at de kan lagre energi på en meget mere kompliceret måde," sagde St. Pierre.
Men selv på Jorden fortsætter dyr med at overraske forskere. Som en advarende undersøgelse viste, er den maksimale springpræstation for et dyr ikke altid, hvad vi måske tror.
Hvert år er Calaveras County, Californien, vært for et Jumping Frog Jubilee inspireret af Mark Twains berømte novelle. På disse messer rapporteres det, at tyrefrøer er hoppet 2 meter vandret, "vildt uden for det område, som det burde være," sagde Henry Astley, en assisterende professor ved University of Akron. Bullfrøer havde tidligere været kendt for at springe højst omkring 1.3 meter. Så for omkring et årti siden, da Astley påbegyndte sit doktorgradsarbejde, rejste han til Californien for at løse problemet.
Ved jubilæet lejede han og hans kolleger nogle frøer, spiste tragtkage og gik i gang. Ved at analysere frøspringdata fra konkurrencehold og medlemmer af den brede offentlighed opdagede de, at rapporterne ikke var en overdrivelse. Mere end halvdelen af de hop, de registrerede, var længere end dem i litteraturen. De indså til sidst (og senere detaljeret i, hvad Sutton kalder "det største hoppepapir, der nogensinde er skrevet"), at i det mindste en del af årsagen til uoverensstemmelsen var, at frøernes motiver var forskellige. I de udendørs omgivelser i Calaveras County-konkurrencen var frøerne bange for "frøjockeyer", folk, der udførte udfald af hele kroppen mod frøerne ved høje hastigheder. Men i laboratoriet, hvor sådanne dramatiske bevægelser ikke var almindelige, var frøerne ikke bange for nogen; de ønskede blot at blive efterladt alene.
