En el verano de 2021, en lo alto de los acantilados costeros de Santa Bárbara, California, Chris Keeley, entonces estudiante de la universidad cercana, se agachó para sacar un fardo de metal y caucho de su mochila. Era un robot, que tardó varios minutos en darle cuerda.
Cuando terminó, pulsó el botón de grabar en la cámara de su iPhone y vio cómo el robot se lanzaba por los aires, dibujaba un arco alto en el cielo y aterrizaba perfectamente cerca de sus pies. Keeley se sintió aliviado; muchos saltos de prueba anteriores habían fallado. No fue hasta más tarde esa noche cuando regresó a su habitación y descargó los datos del salto en su computadora portátil que se dio cuenta de lo bien que había funcionado.
El saltador había alcanzado una altura récord de unos 32.9 metros, como Keeley y sus colaboradores, dirigidos por elliot hawkes, investigador de ingeniería mecánica en la Universidad de California, Santa Bárbara, reportado en abril in Naturaleza. No solo había saltado más de tres veces más alto que otros robots experimentales construidos para esa tarea, sino que había saltado más de 14 veces más alto que cualquier otra criatura del reino animal. Con toda probabilidad, su robot saltó más alto que cualquier otro en la Tierra.
“Creo que este es uno de los pocos robots que realmente supera a la biología, y la forma en que supera a la biología es increíblemente inteligente”, dijo. ryan san pedro, profesor asistente en el departamento de ingeniería mecánica y aeroespacial de la Universidad de Buffalo que no participó en el estudio.
El éxito del robot destaca las limitaciones físicas que enfrentan los saltadores biológicos en la naturaleza. Aunque estas limitaciones evitan que los humanos salten a la tienda de comestibles como si estuvieran en saltos y evitan que las ranas caigan de las nubes, la biología ha ideado sus propias soluciones ingeniosas que empujan la altura y la longitud del salto lo más lejos posible. , a través de pequeños ajustes biomecánicos adaptados a las necesidades de salto de cada animal.
Incluso los ingenieros detrás del mejor saltador del mundo todavía están asombrados por los propios diseños de la biología. Ahora, “donde sea que mire, veo saltos”, dijo Keeley. "No puedo evitarlo".
El acto de saltar
Un salto es un acto de movimiento causado por la aplicación de fuerza al suelo sin pérdida de masa, escribieron los investigadores; así, un cohete que pierde combustible al lanzarlo, o una flecha que sale de su arco, no cuentan.
Los músculos son los motores biológicos que proporcionan la energía para los movimientos. Para saltar, te agachas, contrayendo las pantorrillas y otros músculos, un proceso que convierte la energía química disponible en los músculos en energía mecánica. Los tendones, tejidos elásticos que conectan los músculos con el esqueleto, transmiten esa energía mecánica a los huesos, que usan esa energía para empujar contra el suelo para impulsar el cuerpo hacia arriba.
Saltar funciona de manera sorprendentemente similar en todos los tamaños y escalas en el reino animal, pero algunas peculiaridades del diseño biomecánico permiten que ciertas criaturas superen los límites biológicos. La potencia de un salto es equivalente a la cantidad de energía disponible para el mecanismo de salto por unidad de tiempo durante el despegue. Cuanta más energía generen tus músculos y más rápido te levantes del suelo, más poderoso será el salto.
Pero a medida que los animales se hacen más pequeños, sus patas se acortan y están menos tiempo en contacto con el suelo durante el lanzamiento. Por lo tanto, necesitan poder liberar la energía para un salto con una rapidez explosiva. Para estas criaturas más pequeñas, la naturaleza ideó una solución creativa: almacenar la mayor parte de la energía de salto en tejidos altamente elásticos que funcionan como manantiales biológicosexplicado greg sutton, profesor e investigador en la Universidad de Lincoln en Inglaterra.
Al volver a su longitud original, los resortes pueden liberar esa energía almacenada mucho más rápido que los músculos, lo que aumenta la potencia disponible para el salto. Como resultado, algunos de los mejores saltadores del mundo biológico son los que usan resortes.
Por ejemplo, un saltamontes almacena la energía de los músculos de sus patas traseras en resortes ubicados en las articulaciones. Esos resortes, que parecen habas, permiten que el saltamontes ponga de 20 a 40 veces más potencia por unidad de masa en su salto que un músculo humano. Aunque la potencia total del saltamontes es mucho menor que la que genera un ser humano que salta, su densidad de potencia, o potencia por unidad de masa, es mucho mayor. Como resultado, el saltamontes puede saltar a una altura de aproximadamente 0.5 metros, lo mismo que los humanos en promedio, pero decenas de veces la longitud del cuerpo del saltamontes.
El impulso de energía que obtienen los saltamontes de sus resortes palidece en comparación con lo que pueden reunir otros pequeños saltadores. Las pulgas pueden alcanzar de 80 a 100 veces la densidad de potencia de los músculos humanos, mientras que los insectos llamados saltamontes pueden generar de 600 a 700 veces más. El secreto de los saltamontes es que su resorte para almacenar energía de salto está en su tórax; la distancia adicional para la contracción muscular permite la entrega de más potencia. “Sería como si los músculos de la cadera, en lugar de unirse a la pelvis, se unieran a los hombros”, dijo Sutton.
Algunos animales, como los canguros, no tienen resortes separados en su diseño biomecánico, pero tienen sistemas musculares más elásticos, como tendones que almacenan mucha energía para saltar más alto. El galago menor, por ejemplo, un saltador superestrella entre los vertebrados, tiene tendones extremadamente elásticos con los que puede saltar más de 2 metros de altura y hasta 12 veces la longitud de su cuerpo. (Los tendones humanos almacenan un poco de energía y pueden actuar como resortes, pero no son ni remotamente tan efectivos como las versiones más elásticas en otros animales).
Trinquete
Durante al menos medio siglo, los investigadores han analizado el rendimiento de algunos de estos asombrosos puentes biológicos para informar sus diseños de puentes mecánicos. Pero este nuevo estudio podría marcar la primera vez que los ingenieros que diseñan puentes mecánicos se dan cuenta de que "no es necesario hacer lo que hace la biología", dijo sheila patek, profesor de biología en la Universidad de Duke.
El nuevo robot alcanzó alturas de salto récord al superar una restricción en los diseños biológicos y hacer lo que los animales no pueden. “Los músculos no pueden moverse”, dijo Sutton. Incluso si los músculos transfieren la energía de su contracción a un resorte adjunto, cuando se vuelven a alargar, esa energía se libera. Por lo tanto, la energía disponible para impulsar un salto se limita a lo que puede proporcionar una flexión de un músculo.
Pero en el robot de cuerda, un pestillo mantiene el resorte estirado en posición entre los movimientos de manivela, por lo que la energía almacenada sigue acumulándose. Este proceso de trinquete multiplica la cantidad de energía almacenada disponible para lanzar el eventual salto. Además, dijo Sutton, la sección transversal cuadrada del resorte del robot le permite almacenar el doble de energía que los resortes biológicos, que tienen un diseño más triangular.
¿Por qué las criaturas biológicas no desarrollaron alguna habilidad para mover sus músculos o moverse más alto, más lejos y más rápido?
Los músculos son evolutivamente muy antiguos; no difieren tanto entre insectos y humanos. “Obtuvimos músculos de nuestros antepasados sin columna vertebral”, dijo Sutton. "Cambiar las propiedades fundamentales de los bits es realmente difícil para la evolución".
Si hubiera habido más presión evolutiva para saltar muy alto, "supongo que habríamos evolucionado saltadores realmente altos", dijo charlie xiao, estudiante de doctorado y coautor con Keeley y otros en el nuevo estudio de robots. Pero las ranas, los saltamontes y los humanos deben construirse no solo para saltar, sino también para reproducirse, encontrar comida, escapar de los depredadores y hacer todo lo demás que requiere la vida.
ricardo essner, profesor de ciencias biológicas en la Universidad del Sur de Illinois en Edwardsville, explicó cómo pueden funcionar esas compensaciones. No hay muchas situaciones en las que quieras saltar directamente hacia arriba, dijo. La mayoría de las veces, cuando las ranas y otras criaturas pequeñas necesitan poder de salto, es porque están tratando de escapar de un depredador detrás de ellas. Luego, la rana quiere colocar rápidamente la mayor distancia posible entre ella y el depredador. Es probable que la rana disminuya su ángulo de despegue, aplanando su trayectoria para saltar más lejos en lugar de más alto, pero probablemente no lo más lejos que pueda, porque saltar a un lugar seguro generalmente implica una serie de saltos. La mayoría de las ranas doblan las patas debajo del cuerpo en el aire para que, en el instante de aterrizar, estén listas para saltar de nuevo.
Sorprendentemente, no siempre existe la presión de la selección natural para aterrizar correctamente después de un gran salto. Recientemente en Science Advances, Essner y su equipo informaron que los anfibios llamados sapos calabaza, algunos de los cuales son más pequeños que la punta de un lápiz afilado, casi siempre aterrizan cuando saltan. Su pequeño tamaño es la raíz de su problema: al igual que otros animales, las ranas obtienen su sentido del equilibrio del sistema vestibular en su oído interno. Pero debido a que su sistema vestibular es pequeño, es relativamente insensible a la aceleración angular, lo que deja a las ranas mal equipadas para adaptarse a las volteretas durante un salto.
No son los únicos que aterrizan mal: los saltamontes también son "simplemente terribles", dijo Sutton.
En un proyecto dirigido por la estudiante de posgrado Chloe Goode, el grupo de Sutton está estudiando actualmente por qué los saltamontes giran sin control durante sus saltos. En sus experimentos, equiparon a los insectos con pequeños sombreros de copa con peso para cambiar su centro de gravedad. Los investigadores descubrieron que esto fue suficiente para evitar que los saltamontes giraran en el aire, lo que en teoría podría darles más control sobre su aterrizaje. Sutton y su equipo no tienen idea de por qué los insectos no evolucionaron con un poco más de peso en la cabeza para lograr esa estabilidad.
Pero mientras que un aterrizaje forzoso suena peligroso para nosotros como criaturas relativamente masivas en riesgo de romperse los huesos, es menos problemático para las criaturas más pequeñas. “Es un fenómeno de escalamiento”, dijo Essner. Con el aumento de tamaño, la masa corporal aumenta más rápidamente que el área de la sección transversal de los huesos de apoyo, lo que determina su fuerza, dijo. En comparación con un elefante, un ratón tiene muchos huesos que apuntalan su masa mínima.
Las criaturas pequeñas “simplemente no experimentan ningún daño por caídas”, dijo Essner. Es posible que no haya habido una presión de selección lo suficientemente fuerte como para obligar a los saltamontes y sapos calabaza a desarrollar la capacidad de aterrizar correctamente, lo que los liberó para desarrollar otras habilidades más importantes para su supervivencia, agregó Essner.
Repensar los límites
El robot del equipo Hawkes está experimentando una evolución propia. Los investigadores están trabajando con la NASA para convertir su dispositivo en un robot en pleno funcionamiento que podría recolectar muestras en otros mundos, utilizando saltos controlados para atravesar rápidamente largas distancias. En la luna, donde no hay atmósfera, ni arrastre de aire y solo una sexta parte de la gravedad de la Tierra, el robot teóricamente podría saltar más de 400 metros, dijo Xiao. Su esperanza es lanzarlo a la luna en los próximos cinco años más o menos.
Y si hay vida en otros planetas, puede tener cosas nuevas que enseñarnos sobre saltar. En gravedades más bajas, saltar podría volverse más fácil y rápido que volar, por lo que los organismos podrían desarrollar "personajes saltadores como Mario", dijo Sutton.
La vida extraterrestre también podría tener músculos que funcionan de manera diferente, tal vez con sus propias soluciones similares a trinquetes para el almacenamiento de energía. “Tal vez tienen estructuras biomecánicas realmente ridículas, [tales] que pueden almacenar energía de una manera mucho más complicada”, dijo St. Pierre.
Pero incluso en la Tierra, los animales continúan sorprendiendo a los investigadores. Como mostró un estudio de advertencia, el rendimiento máximo de salto de un animal no siempre es lo que podríamos pensar.
Cada año, el condado de Calaveras, California, organiza un jubileo de rana saltadora inspirado en El famoso cuento de Mark Twain. En estas ferias, se informa que las ranas toro han saltado 2 metros horizontalmente, "salvajemente fuera del ámbito de lo que debería ser", dijo henry astley, profesor asistente en la Universidad de Akron. Anteriormente se sabía que las ranas toro saltaban como máximo alrededor de 1.3 metros. Entonces, hace aproximadamente una década, cuando Astley se embarcó en su trabajo de doctorado, viajó a California para resolver el problema.
En el jubileo, él y sus compañeros de trabajo alquilaron unas ranas, comieron un pastel de embudo y se pusieron a trabajar. Al analizar los datos de los saltos de rana de los equipos de competencia y miembros del público en general, descubrieron que los informes no eran una exageración. Más de la mitad de los saltos que registraron fueron más lejos que los de la literatura. Eventualmente se dieron cuenta (y más tarde detallado en lo que Sutton llama “el mayor artículo sobre saltos jamás escrito”) que al menos parte de la razón de la discrepancia era que las motivaciones de las ranas diferían. En el escenario al aire libre de la competencia del condado de Calaveras, las ranas tenían miedo de los "juguetes de ranas", personas que realizaban embestidas de todo el cuerpo hacia las ranas a altas velocidades. Pero en el laboratorio, donde estos movimientos dramáticos no eran comunes, las ranas no estaban aterrorizadas por nadie; simplemente querían que los dejaran solos.
