Im Sommer 2021 kauerte Chris Keeley, damals Student an der nahe gelegenen Universität, auf den Küstenklippen von Santa Barbara, Kalifornien, um ein Bündel aus Metall und Gummi aus seinem Rucksack zu ziehen. Es war ein Roboter, den er mehrere Minuten lang aufzog.
Als er fertig war, drückte er auf der Kamera seines iPhones auf Aufnahme und sah zu, wie der Roboter hoch in die Luft schoss, einen großen Bogen in den Himmel zog und sauber neben seinen Füßen landete. Keeley war erleichtert; viele frühere Testsprünge waren gescheitert. Erst später in der Nacht, als er in sein Schlafzimmer zurückkehrte und die Sprungdaten auf seinen Laptop herunterlud, wurde ihm klar, wie gut es funktioniert hatte.
Der Springer hatte eine rekordverdächtige Höhe von etwa 32.9 Metern erreicht, als Keeley und seine Mitarbeiter ihn anführten Elliot Hawkes, ein Maschinenbauforscher an der University of California, Santa Barbara, berichtete im April in Natur. Er war nicht nur mehr als dreimal höher gesprungen als andere experimentelle Roboter, die für diese Aufgabe konstruiert wurden, er war auch mehr als 14 Mal höher gesprungen als jedes andere Lebewesen im Tierreich. Aller Wahrscheinlichkeit nach sprang ihr Roboter höher als alles andere auf der Erde.
„Ich denke, dies ist einer der wenigen Roboter, der die Biologie tatsächlich übertrifft, und die Art und Weise, wie er die Biologie übertrifft, ist unglaublich clever“, sagte er Ryan St.Pierre, ein Assistenzprofessor in der Fakultät für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der Universität von Buffalo, der nicht an der Studie beteiligt war.
Der Erfolg des Roboters verdeutlicht die physischen Einschränkungen, denen biologische Springer in freier Wildbahn ausgesetzt sind. Obwohl diese Einschränkungen Menschen davon abhalten, wie auf Pogo-Sticks zum Lebensmittelgeschäft zu hüpfen, und Frösche daran hindern, aus den Wolken zu fallen, hat die Biologie ihre eigenen genialen Workarounds entwickelt, die Sprunghöhe und -länge so weit wie möglich bringen , durch kleine biomechanische Optimierungen, die auf die Sprungbedürfnisse jedes Tieres zugeschnitten sind.
Selbst die Ingenieure hinter dem größten Springer der Welt sind immer noch von den eigenen Entwürfen der Biologie beeindruckt. Jetzt „überall, wo ich hinschaue, sehe ich springen“, sagte Keeley. „Ich kann mir nicht helfen.“
Der Akt des Springens
Ein Sprung ist ein Bewegungsakt, der durch Krafteinwirkung auf den Boden ohne Masseverlust verursacht wird, schreiben die Forscher; daher zählt eine Rakete, die beim Start Treibstoff verliert, oder ein Pfeil, der seinen Bogen verlässt, nicht.
Muskeln sind die biologischen Motoren, die die Energie für Bewegungen liefern. Um zu springen, gehen Sie in die Hocke und ziehen Ihre Waden und andere Muskeln zusammen, ein Prozess, der die in den Muskeln verfügbare chemische Energie umwandelt mechanische Energie. Sehnen, dehnbare Gewebe, die Muskeln mit dem Skelett verbinden, übertragen diese mechanische Energie auf die Knochen, die diese Energie nutzen, um gegen den Boden zu drücken und den Körper nach oben zu treiben.
Springen funktioniert im Tierreich über Größen und Maßstäbe hinweg auf überraschend ähnliche Weise – aber einige biomechanische Designmacken ermöglichen es bestimmten Kreaturen, die biologischen Grenzen zu überschreiten. Die Kraft eines Sprungs entspricht der Energie, die dem Sprungmechanismus pro Zeiteinheit während des Abstoßes zur Verfügung steht. Je mehr Energie deine Muskeln erzeugen und je schneller du vom Boden abhebst, desto kraftvoller wird der Sprung.
Aber wenn die Tiere kleiner werden, werden ihre Beine kürzer und haben während des Starts weniger Zeit mit dem Boden in Kontakt. Sie müssen also in der Lage sein, die Energie für einen Sprung mit explosiver Plötzlichkeit freizusetzen. Für diese kleineren Lebewesen hat sich die Natur eine kreative Lösung einfallen lassen: Sie speichert den Großteil der Sprungenergie in hochelastischen Geweben wirken als biologische Quellen, erklärt Greg Sutton, Professor und wissenschaftlicher Mitarbeiter an der University of Lincoln in England.
Beim Zurückschnellen auf ihre ursprüngliche Länge können Federn diese gespeicherte Energie viel schneller freisetzen als Muskeln, was die für den Sprung verfügbare Kraft erhöht. Infolgedessen sind einige der besten Springer der biologischen Welt diejenigen, die Federn verwenden.
Zum Beispiel speichert eine Heuschrecke die Energie ihrer Hinterbeinmuskulatur in Federn, die sich an den Gelenken befinden. Diese Federn, die wie Limabohnen aussehen, ermöglichen es der Heuschrecke, 20- bis 40-mal mehr Kraft pro Masseneinheit in ihren Sprung zu bringen als ein menschlicher Muskel. Obwohl die Gesamtkraft der Heuschrecke weitaus geringer ist als die eines springenden Menschen, ist ihre Leistungsdichte oder Kraft pro Masseneinheit viel höher. Infolgedessen kann die Heuschrecke bis zu einer Höhe von etwa 0.5 Metern springen – das ist im Durchschnitt so viel wie Menschen, aber das Dutzendfache der Körperlänge der Heuschrecke.
Der Kraftschub, den Heuschrecken durch ihre Federn erhalten, verblasst im Vergleich zu dem, was einige andere winzige Springer aufbringen können. Flöhe können die 80- bis 100-fache Leistungsdichte menschlicher Muskeln erreichen, während die Insekten namens Froschzikade 600- bis 700-mal so viel erzeugen können. Das Geheimnis der Froschzikade ist, dass sich ihre Feder zum Speichern der Sprungenergie in ihrem Brustkorb befindet; Die zusätzliche Distanz für die Muskelkontraktion ermöglicht die Abgabe von mehr Kraft. „Es wäre, als ob Ihre Hüftmuskeln nicht an Ihrem Becken, sondern an Ihren Schultern befestigt wären“, sagte Sutton.
Einige Tiere, wie Kängurus, haben keine separaten Federn in ihrem biomechanischen Design, aber sie haben elastischere Muskelsysteme, wie Sehnen, die viel Energie für höhere Sprünge speichern. Der kleine Galago zum Beispiel – ein Superstar unter den Wirbeltieren – hat extrem dehnbare Sehnen, mit denen er mehr als 2 Meter hoch und bis zum 12-fachen seiner Körperlänge springen kann. (Menschliche Sehnen speichern ein wenig Energie und können wie Federn wirken, aber sie sind nicht annähernd so effektiv wie die federnderen Versionen bei anderen Tieren.)
Ratschen
Seit mindestens einem halben Jahrhundert haben Forscher die Leistung einiger dieser erstaunlichen biologischen Springer analysiert, um ihre Entwürfe für mechanische Springer zu informieren. Aber diese neue Studie könnte das erste Mal sein, dass Ingenieure, die mechanische Jumper entwerfen, erkannt haben, dass „man nicht tun muss, was die Biologie tut“, sagte er Sheila Patek, Professor für Biologie an der Duke University.
Der neue Roboter erreichte Rekordsprunghöhen, indem er die Beschränkung biologischer Konstruktionen überwand und tat, was Tiere nicht können. „Muskeln können nicht ratschen“, sagte Sutton. Selbst wenn Muskeln die Energie ihrer Kontraktion auf eine angebrachte Feder übertragen, wird diese Energie freigesetzt, wenn sie sich wieder verlängern. Die für einen Sprung verfügbare Energie ist daher auf das begrenzt, was eine Muskelanspannung liefern kann.
Aber im Aufziehroboter hält ein Riegel die gespannte Feder zwischen den Kurbelbewegungen in Position, sodass sich die gespeicherte Energie immer weiter aufbaut. Dieser Ratschenprozess vervielfacht die Menge an gespeicherter Energie, die zum Starten des eventuellen Sprungs zur Verfügung steht. Darüber hinaus, sagte Sutton, ermöglicht der quadratische Querschnitt der Roboterfeder, doppelt so viel Energie zu speichern wie biologische Federn, die ein dreieckigeres Design haben.
Warum haben biologische Kreaturen keine Fähigkeit entwickelt, ihre Muskeln anzuspannen oder sich auf andere Weise höher, weiter und schneller zu bewegen?
Muskeln sind evolutionär sehr alt; Sie unterscheiden sich nicht so sehr zwischen Insekten und Menschen. „Wir haben Muskeln von unseren Ur-Ur-Ur-Ur-Ur-Ur-Ur-Vorfahren ohne Rückgrat“, sagte Sutton. „Grundlegende Eigenschaften von Bits zu ändern, ist wirklich schwierig für die Evolution.“
Hätte es mehr evolutionären Druck gegeben, wirklich hoch zu springen, „hätten wir wohl wirklich Hochspringer entwickelt“, sagte er Charlie Xiao, ein Doktorand und Co-Autor mit Keeley und anderen an der neuen Roboterstudie. Aber Frösche, Heuschrecken und Menschen müssen nicht nur zum Springen gebaut sein, sondern auch zur Fortpflanzung, Nahrungssuche, Flucht vor Raubtieren und für alles andere, was das Leben erfordert.
Richard Essner, Professor für Biowissenschaften an der Southern Illinois University Edwardsville, erklärte, wie diese Kompromisse funktionieren können. Es gibt nicht viele Situationen, in denen Sie direkt nach oben springen möchten, sagte er. Wenn Frösche und andere kleine Kreaturen Sprungkraft brauchen, dann meistens, weil sie versuchen, einem Raubtier hinter ihnen zu entkommen. Dann will der Frosch schnell möglichst viel Abstand zwischen sich und das Raubtier bringen. Der Frosch wird wahrscheinlich seinen Startwinkel verringern und seine Flugbahn abflachen, um eher weiter als höher zu springen – aber wahrscheinlich nicht so weit, wie er kann, da das Hüpfen in Sicherheit normalerweise eine Reihe von Sprüngen beinhaltet. Die meisten Frösche falten ihre Beine mitten in der Luft unter ihrem Körper, so dass sie im Augenblick der Landung bereit sind, wieder zu springen.
Überraschenderweise gibt es nicht immer einen natürlichen Selektionsdruck, um nach einem großen Sprung richtig zu landen. Kürzlich in Wissenschaft Fortschritteberichteten Essner und sein Team, dass Amphibien, sogenannte Kürbiskröten, von denen einige kleiner als die Spitze eines angespitzten Bleistifts sind, beim Springen fast immer eine Bruchlandung machen. Ihre geringe Größe ist die Wurzel ihres Problems: Wie andere Tiere beziehen die Frösche ihren Gleichgewichtssinn aus dem Vestibularsystem in ihrem Innenohr. Da ihr Vestibularsystem jedoch klein ist, ist es relativ unempfindlich gegenüber Winkelbeschleunigungen, sodass die Frösche schlecht gerüstet sind, um sich auf das Taumeln während eines Sprungs einzustellen.
Sie sind nicht die einzigen, die schlecht landen: Heuschrecken sind auch „einfach schrecklich darin“, sagte Sutton.
In einem von der Doktorandin Chloe Goode geleiteten Projekt untersucht Suttons Gruppe derzeit, warum sich Heuschrecken bei ihren Sprüngen unkontrolliert drehen. In ihren Experimenten statteten sie die Insekten mit winzigen beschwerten Zylindern aus, um ihren Schwerpunkt zu verschieben. Die Forscher fanden heraus, dass dies ausreichte, um die Heuschrecken daran zu hindern, sich in der Luft zu drehen, was den Heuschrecken theoretisch mehr Kontrolle über ihre Landung geben könnte. Sutton und sein Team haben keine Ahnung, warum sich die Insekten nicht mit etwas mehr Gewicht in ihrem Kopf für diese Stabilität entwickelt haben.
Aber während eine Bruchlandung für uns als relativ massive Kreaturen, bei denen die Gefahr besteht, dass Knochen gebrochen werden, gefährlich klingt, ist sie für kleinere Kreaturen weniger problematisch. „Es ist ein Skalierungsphänomen“, sagte Essner. Mit zunehmender Größe nimmt die Körpermasse schneller zu als die Querschnittsfläche der Stützknochen, die ihre Stärke bestimmt, sagte er. Im Vergleich zu einem Elefanten hat eine Maus viele Knochen, die ihre minimale Masse stützen.
Kleine Kreaturen „erleiden einfach keinen Schaden durch Stürze“, sagte Essner. Möglicherweise war der Selektionsdruck nicht stark genug, um Heuschrecken und Kürbiskröten dazu zu zwingen, die Fähigkeit zum richtigen Landen zu entwickeln, was ihnen die Möglichkeit gab, andere Fähigkeiten zu entwickeln, die für ihr Überleben wichtiger sind, fügte Essner hinzu.
Grenzen neu denken
Der Roboter des Hawkes-Teams durchläuft eine eigene Evolution. Die Forscher arbeiten mit der NASA zusammen, um ihr Gerät zu einem voll funktionsfähigen Roboter zu entwickeln, der Proben auf anderen Welten sammeln könnte, indem er kontrollierte Sprünge verwendet, um schnell große Entfernungen zu überwinden. Auf dem Mond, wo es keine Atmosphäre, keinen Luftwiderstand und nur ein Sechstel der Schwerkraft der Erde gibt, könnte der Roboter theoretisch mehr als 400 Meter weit springen, sagte Xiao. Ihre Hoffnung ist es, es in den nächsten fünf Jahren oder so zum Mond zu bringen.
Und wenn es Leben auf anderen Planeten gibt, kann es uns vielleicht neue Dinge über das Springen lehren. Bei geringerer Schwerkraft könnte das Springen einfacher und schneller werden als das Fliegen, sodass Organismen „Mario-ähnliche springende Charaktere“ entwickeln könnten, sagte Sutton.
Außerirdisches Leben könnte auch Muskeln haben, die anders funktionieren, vielleicht mit ihren eigenen Ratschen-ähnlichen Lösungen zur Energiespeicherung. „Vielleicht haben sie wirklich lächerliche biomechanische Strukturen, [solche], dass sie Energie auf viel kompliziertere Weise speichern können“, sagte St. Pierre.
Aber auch auf der Erde überraschen Tiere Forscher immer wieder. Wie eine warnende Studie gezeigt hat, ist die maximale Sprungleistung eines Tieres nicht immer das, was wir vielleicht denken.
Calaveras County, Kalifornien, veranstaltet jedes Jahr ein Jumping Frog Jubilee inspiriert von Mark Twains berühmte Kurzgeschichte. Auf diesen Messen sollen Ochsenfrösche 2 Meter horizontal gesprungen sein, „wild außerhalb des Bereichs dessen, was es sein sollte“, sagte Henry Astley, Assistenzprofessor an der Universität Akron. Ochsenfrösche waren zuvor dafür bekannt, höchstens etwa 1.3 Meter weit zu springen. Als Astley also vor etwa einem Jahrzehnt mit seiner Doktorarbeit begann, reiste er nach Kalifornien, um das Problem zu lösen.
Beim Jubiläum mieteten er und seine Mitarbeiter ein paar Frösche, aßen Trichterkuchen und machten sich an die Arbeit. Durch die Analyse von Froschsprungdaten von Wettkampfteams und Mitgliedern der breiten Öffentlichkeit stellten sie fest, dass die Berichte keine Übertreibung waren. Mehr als die Hälfte der aufgezeichneten Sprünge waren weiter als in der Literatur angegeben. Sie erkannten schließlich (und später detailliert in dem, was Sutton „das größte je geschriebene Springen“ nennt), dass zumindest ein Teil des Grundes für die Diskrepanz darin bestand, dass die Motivationen der Frösche unterschiedlich waren. In der Outdoor-Umgebung des Calaveras County-Wettbewerbs hatten die Frösche Angst vor „Froschjockeys“, Menschen, die mit hoher Geschwindigkeit Ganzkörper-Ausfallschritte auf die Frösche ausführten. Aber im Labor, wo solch dramatische Bewegungen nicht üblich waren, hatten die Frösche vor niemandem Angst; sie wollten nur in Ruhe gelassen werden.
