2021. aasta suvel kükitas Californias Santa Barbara rannikuäärsete kaljude tipus Chris Keeley, kes oli tollal lähedal asuva ülikooli bakalaureuseõppe lõpetanud, et tõmmata seljakotist välja kimp metalli ja kummi. See oli robot, mida ta mitu minutit keris.
Kui ta oli valmis, lõi ta oma iPhone'i kaameraga rekordi ja vaatas, kuidas robot lendas kõrgele õhku, tõmbas taevasse kõrge kaare ja maandub kenasti tema jalgade lähedale. Keeley tundis kergendust; paljud varasemad proovihüpped olid ebaõnnestunud. Alles samal õhtul, kui ta naasis magamistuppa ja laadis hüppeandmed sülearvutisse, mõistis ta, kui hästi see töötas.
Hüppaja oli saavutanud rekordilise, umbes 32.9 meetri kõrguse, kuna Keeley ja tema kaastöötajad eesotsas Elliot Hawkes, Santa Barbara California ülikooli masinaehituse teadur, aprillis teatatud in loodus. See ei olnud mitte ainult hüpanud rohkem kui kolm korda kõrgemale kui teised selle ülesande jaoks ehitatud katserobotid, vaid ka rohkem kui 14 korda kõrgemale kui ükski teine olend loomariigis. Suure tõenäosusega hüppas nende robot kõrgemale kui kunagi varem Maal.
"Ma arvan, et see on üks väheseid roboteid, mis tegelikult bioloogiast paremad on, ja see, kuidas see bioloogiat ületab, on uskumatult nutikas," ütles ta. Ryan St Pierre, Buffalo ülikooli mehaanika- ja kosmosetehnika osakonna dotsent, kes ei osalenud uuringus.
Roboti edu toob esile füüsilised piirangud, millega bioloogilised hüppajad looduses silmitsi seisavad. Kuigi need piirangud takistavad inimestel toidupoodi hüppamast, nagu nad oleksid pogopulkade otsas, ja takistavad konnadel pilvedest välja kukkumast, on bioloogia välja töötanud oma geniaalsed lahendused, mis lükkavad hüppe kõrgust ja pikkust nii kaugele kui võimalik. , läbi väikeste biomehaaniliste näpunäidete, mis on kohandatud iga looma hüppamisvajadustele.
Isegi maailma suurima hüppaja taga olevad insenerid tunnevad endiselt aukartust bioloogia enda disainide ees. Nüüd, "kõikjal, kuhu ma vaatan, näen hüppamist," ütles Keeley. "Ma ei saa ennast aidata."
Hüppamise akt
Hüpe on liikumisakt, mis on põhjustatud maapinnale jõu rakendamisest ilma massi kadumiseta, kirjutasid teadlased; seega ei lähe arvesse rakett, mis kaotab stardi ajal kütust, või nool, mis lahkub oma vöörist.
Lihased on bioloogilised mootorid, mis annavad liigutusteks energiat. Hüppamiseks kükitate, tõmmates kokku sääred ja muud lihased – protsess, mis muudab lihastes saadaoleva keemilise energia mehaaniline energia. Kõõlused, venivad koed, mis ühendavad lihaseid luustikuga, edastavad selle mehaanilise energia luudele, mis kasutavad seda energiat vastu maad surumiseks, et keha ülespoole lükata.
Hüppamine toimib loomariigis üllatavalt sarnaselt erinevatele suurustele ja skaaladele, kuid mõned biomehaanilised konstruktsiooni veidrused võimaldavad teatud olenditel bioloogilisi piire ületada. Hüppe võimsus on võrdne sellega, kui palju energiat on hüppemehhanismil ajaühikus äratõuke ajal saadaval. Mida rohkem energiat teie lihased toodavad ja mida kiiremini maast lahti saate, seda võimsam on hüpe.
Kuid kui loomad muutuvad väiksemaks, muutuvad nende jalad lühemaks ja on stardi ajal maapinnaga vähem aega kokku puutunud. Seetõttu peavad nad suutma vabastada energia plahvatusliku äkilise hüppe jaoks. Nende väiksemate olendite jaoks pakkus loodus välja loomingulise lahenduse: salvestas suurema osa hüppeenergiast väga elastsetesse kudedesse, mis toimivad bioloogiliste vedrudena, selgitas Greg Sutton, Inglismaal Lincolni ülikooli professor ja teadur.
Algse pikkusega tagasitõmbumisel võivad vedrud vabastada salvestatud energia palju kiiremini kui lihased, mis suurendab hüppe jaoks saadaolevat võimsust. Selle tulemusena on mõned bioloogilise maailma parimad hüppajad need, mis kasutavad vedrusid.
Näiteks talletab rohutirts oma jala tagalihaste energiat liigestel paiknevatesse vedrudesse. Need allikad, mis näevad välja nagu lima oad, võimaldavad rohutirtsul oma hüppesse panna 20–40 korda rohkem jõudu massiühiku kohta kui inimese lihas suudab. Kuigi rohutirtsu koguvõimsus on palju väiksem, kui hüppav inimene genereerib, on tema võimsustihedus ehk võimsus massiühiku kohta palju suurem. Selle tulemusel võib rohutirts hüpata umbes 0.5 meetri kõrgusele – keskmiselt sama palju kui inimene, kuid kümneid kordi rohutirtsu kehapikkusele.
Jõutõus, mida rohutirtsud oma vedrudest saavad, kahvatub võrreldes sellega, mida mõned teised pisikesed hüppajad suudavad koguda. Kirbud võivad saavutada 80–100 korda suurema võimsustiheduse kui inimese lihased, samas kui putukad, mida nimetatakse konnatihedateks, võivad tekitada 600–700 korda rohkem. Konnalindude saladus seisneb selles, et nende vedru hüppeenergia salvestamiseks on rindkeres; lisakaugus lihaste kokkutõmbumiseks võimaldab edastada rohkem jõudu. "See oleks nii, nagu teie puusalihased oleksid vaagna külge kinnitumise asemel õlgade külge kinnitatud," ütles Sutton.
Mõnedel loomadel, näiteks kängurutel, ei ole biomehaanilises konstruktsioonis eraldi vedrusid, kuid neil on elastsemad lihassüsteemid, näiteks kõõlused, mis salvestavad palju energiat kõrgemale hüppamiseks. Näiteks väiksemal galago - selgroogsete seas hüppaval superstaaril - on äärmiselt venivad kõõlused, millega ta võib hüpata rohkem kui 2 meetri kõrgusele ja kuni 12 korda pikemaks kui kehapikkus. (Inimese kõõlused salvestavad natuke energiat ja võivad toimida nagu vedrud, kuid need ei ole kaugeltki nii tõhusad kui teiste loomade vetruvamad versioonid.)
Valikuliselt seadistatav
Vähemalt pool sajandit on teadlased analüüsinud mõnede nende hämmastavate bioloogiliste džemprite jõudlust, et anda teavet nende mehaaniliste džemprite disaini kohta. Kuid see uus uuring võib tähistada esimest korda, kui mehaanilisi džempreid projekteerivad insenerid on mõistnud, et "te ei pea tegema seda, mida bioloogia teeb," ütles. Sheila Patek, Duke'i ülikooli bioloogiaprofessor.
Uus robot saavutas rekordilised hüppekõrgused, ületades bioloogilise disaini piirangu ja tehes seda, mida loomad ei suuda. "Lihased ei saa põrkuda," ütles Sutton. Isegi kui lihased kannavad kokkutõmbumise energia kinnitatud vedrule, vabaneb see energia pärast nende uuesti pikenemist. Hüppe sooritamiseks saadaolev energia on seega piiratud sellega, mida üks lihase painutus suudab pakkuda.
Kerimisrobotis aga hoiab riiv venitatud vedru väntamisliigutuste vahel paigal, nii et salvestatud energia koguneb. See põrkimisprotsess mitmekordistab võimaliku hüppe käivitamiseks saadaoleva salvestatud energia hulka. Lisaks ütles Sutton, et roboti vedru ruudukujuline ristlõige võimaldab tal salvestada kaks korda rohkem energiat kui bioloogilised vedrud, millel on kolmnurksema konstruktsiooniga.
Miks ei tekkinud bioloogilistel olenditel mingit võimet oma lihaseid põrkida või muul viisil kõrgemale, kaugemale ja kiiremini liigutada?
Lihased on evolutsiooniliselt väga vanad; putukate ja inimeste vahel nad nii palju ei erine. "Saime lihased oma selgroota esivanematelt," ütles Sutton. "Bittide põhiomaduste muutmine on evolutsiooni jaoks tõesti raske."
Kui oleks olnud rohkem evolutsioonilist survet hüpata tõeliselt kõrgele, "olenuks meist välja kujunenud tõesti kõrgushüppajad," ütles Charlie Xiao, doktorant ja uue robotiuuringu kaasautor koos Keeley ja teistega. Kuid konnad, rohutirtsud ja inimesed peavad olema ehitatud mitte ainult hüppamiseks, vaid paljunemiseks, toidu leidmiseks, kiskjate eest põgenemiseks ja kõige muuks, mida elu nõuab.
Richard EssnerLõuna-Illinoisi ülikooli Edwardsville'i bioloogiateaduste professor selgitas, kuidas need kompromissid võivad toimida. Pole palju olukordi, kus tahaks otse üles hüpata, ütles ta. Enamasti, kui konnad ja muud väikesed olendid hüppejõudu vajavad, on põhjuseks see, et nad püüavad põgeneda nende taga oleva kiskja eest. Siis tahab konn enda ja kiskja vahele kiiresti võimalikult suure vahemaa asetada. Tõenäoliselt vähendab konn oma stardinurka, muutes oma trajektoori tasaseks, et hüpata pigem kaugemale kui kõrgemale – kuid tõenäoliselt mitte nii kaugele, kui ta suudab, sest ohutusse hüppamine hõlmab tavaliselt mitmeid hüppeid. Enamik konni paneb jalad õhus keha alla kokku, nii et maandumisel on nad uuesti hüppamiseks valmis.
Üllataval kombel ei ole alati loodusliku valiku survet, et pärast suurt hüpet korralikult maanduda. Hiljuti sisse Teadus ettemaksed, Essner ja tema meeskond teatasid, et kahepaiksed, keda kutsutakse kõrvitsa-kärnkonnaks ja millest mõned on väiksemad kui teritatud pliiatsi ots, langevad hüpates peaaegu alati kokku. Nende probleemi põhjuseks on nende väike suurus: nagu teisedki loomad, saavad konnad tasakaalutunde sisekõrva vestibulaarsüsteemist. Kuid kuna nende vestibulaarsüsteem on väike, on see nurkkiirenduse suhtes suhteliselt tundlik, jättes konnad halvasti kohanema hüppe ajal kukkumisega.
Nad ei ole üksi, kes maanduvad halvasti: ka rohutirtsud on "lihtsalt kohutavad", ütles Sutton.
Aspirant Chloe Goode'i juhitud projektis uurib Suttoni rühm praegu, miks rohutirtsud hüppamise ajal kontrollimatult pöörlevad. Oma katsetes varustasid nad putukad pisikeste kaalutud silindritega, et nihutada nende raskuskeset. Teadlased leidsid, et sellest piisas, et peatada rohutirtsud õhus pöörlemast, mis teoreetiliselt võib anda rohutirtsudele maandumise üle suurema kontrolli. Suttonil ja tema meeskonnal pole õrna aimugi, miks putukad ei arenenud nii, et nende peas oli selle stabiilsuse tagamiseks veidi suurem kaal.
Kuid kuigi meile kui suhteliselt massiivsetele olenditele, kellel on oht luid murda, tundub maandumine ohtlikuna, on see väiksemate olendite jaoks vähem problemaatiline. "See on skaleerimise nähtus, " ütles Essner. Suuruse suurenedes suureneb kehamass kiiremini kui tugiluude ristlõikepindala, mis määrab nende tugevuse, ütles ta. Võrreldes elevandiga on hiirel palju luid, mis toetavad tema minimaalset massi.
Väikesed olendid "lihtsalt ei koge kukkumisest mingit kahju," ütles Essner. Essner lisas, et selektsioonisurve ei pruukinud olla piisavalt tugev, et sundida rohutirtsu ja kõrvitsa kärbseseeni korralikult maanduma, mis võimaldas neil arendada muid võimeid, mis on nende ellujäämiseks olulisemad.
Piiride ümbermõtestamine
Hawkesi meeskonna robot on läbimas omaette arengut. Teadlased töötavad NASAga, et arendada oma seadet täielikult toimivaks robotiks, mis võiks koguda proove teistest maailmadest, kasutades kontrollitud hüppeid, et kiiresti läbida pikki vahemaid. Kuul, kus puudub atmosfäär, õhutakistus ja ainult kuuendik Maa gravitatsioonist, võib robot teoreetiliselt hüpata rohkem kui 400 meetrit, ütles Xiao. Nende lootus on saata see Kuule järgmise viie aasta jooksul.
Ja kui elu on ka teistel planeetidel, võib sellel olla meile hüppamise kohta uusi asju õpetada. Madalama raskusjõu korral võib hüppamine muutuda lihtsamaks ja kiiremaks kui lendamine, nii et organismid võivad areneda "Mario-sarnased hüppavad tegelased," ütles Sutton.
Võõral elul võib olla ka lihaseid, mis töötavad erinevalt, võib-olla oma põrkmehhanismilaadsete lahendustega energia salvestamiseks. "Võib-olla on neil tõesti naeruväärsed biomehaanilised struktuurid, [sellised], et nad suudavad energiat palju keerulisemal viisil salvestada," ütles St. Pierre.
Kuid isegi Maal üllatavad loomad teadlasi jätkuvalt. Nagu näitas üks hoiatav uuring, ei ole looma maksimaalne hüppevõime alati see, mida me arvame.
Californias Calaverase maakonnas korraldatakse igal aastal Jumping Frog juubelit, mis on inspireeritud Mark Twaini kuulus novell. Nendel messidel on härgkonnad hüpanud 2 meetrit horisontaalselt, "metsikult väljaspool seda, mis see peaks olema", ütles. Henry Astley, Akroni ülikooli dotsent. Varem oli teada, et härgkonnad hüppasid kõige rohkem umbes 1.3 meetrit. Nii umbes kümmekond aastat tagasi, kui Astley alustas doktoritööd, sõitis ta probleemi lahendama Californiasse.
Juubelil rentis ta koos töökaaslastega konnad, sõi lehterkoogi ja asus tööle. Analüüsides võistlusmeeskondadelt ja üldsuselt saadud konnahüppeandmeid, avastasid nad, et aruanded ei olnud liialdus. Enam kui pooled nende salvestatud hüpetest olid kaugemal kui kirjanduses. Lõpuks mõistsid nad (ja hiljem üksikasjalikult selles, mida Sutton nimetab "suurimaks hüppepaberiks, mis kunagi kirjutatud"), et vähemalt osa lahknevuse põhjustest oli konnade motivatsioonide erinevus. Calaverase maakonna võistluse välitingimustes kartsid konnad "konnadžokisid" - inimesi, kes sooritasid suurel kiirusel kogu keha konnade suunas sööste. Kuid laboris, kus nii dramaatilised liigutused ei olnud tavalised, ei kartnud konnad kedagi; nad tahtsid lihtsalt üksi jääda.
