در تابستان سال 2021، کریس کیلی که در آن زمان دانشجوی دانشگاه مجاور بود، بر فراز صخره‌های ساحلی سانتا باربارا، کالیفرنیا، خم شد تا یک بسته فلزی و لاستیک را از کوله پشتی‌اش بیرون آورد. این یک ربات بود که چند دقیقه وقت صرف کرد و آن را پیچید.
وقتی کارش تمام شد، رکوردی را روی دوربین آیفونش زد و ربات را تماشا کرد که خودش را به هوا پرتاب کرد، قوس بلندی را در آسمان کشید و نزدیک پایش فرود آمد. کیلی راحت شد. بسیاری از پرش های آزمایشی قبلی شکست خورده بودند. اواخر همان شب بود که او به اتاق خواب خود بازگشت و داده های پرش را روی لپ تاپ خود دانلود کرد، متوجه شد که چقدر خوب کار کرده است.
کیلی و همکارانش به رهبری کیلی و همکارانش به ارتفاع رکوردشکنی در حدود 32.9 متر رسیده بود. الیوت هاکسمحقق مهندسی مکانیک در دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا، گزارش شده در ماه آوریل in طبیعت. این ربات نه تنها بیش از سه برابر بیشتر از سایر ربات‌های آزمایشی ساخته شده برای این کار پریده بود، بلکه بیش از 14 برابر بالاتر از هر موجود دیگری در قلمرو حیوانات پرید. به احتمال زیاد، ربات آنها بالاتر از هر چیزی روی زمین پریده است.
گفت: "من فکر می کنم این یکی از معدود ربات هایی است که عملاً از زیست شناسی بهتر عمل می کند، و روشی که از زیست شناسی بهتر عمل می کند فوق العاده هوشمندانه است." رایان سنت پیراستادیار دپارتمان مهندسی مکانیک و هوافضا در دانشگاه بوفالو که در این مطالعه شرکت نداشت.
موفقیت این ربات محدودیت‌های فیزیکی را که پرش‌کنندگان بیولوژیکی در طبیعت با آن روبرو هستند برجسته می‌کند. اگرچه این محدودیت‌ها انسان‌ها را از پریدن به خواربارفروشی باز می‌دارد که گویی روی چوب‌های پوگو هستند و از سقوط قورباغه‌ها از ابرها جلوگیری می‌کند، زیست‌شناسی راه‌حل‌های مبتکرانه‌ای را ارائه کرده است که ارتفاع و طول پرش را تا جایی که می‌توانند بالا می‌برند. ، از طریق ترفندهای بیومکانیکی کوچکی که برای نیازهای پرش هر حیوان طراحی شده است.
حتی مهندسان پشت بزرگترین جامپر جهان هنوز هم از طراحی‌های خود زیست‌شناسی وحشت دارند. کیلی گفت: «به هر کجا که نگاه می‌کنم پریدن را می‌بینم». "من نمی توانم جلوی خودم را بگیرم."
عمل پریدن
محققان نوشتند که پرش یک عمل حرکتی است که در اثر اعمال نیرو به زمین بدون از دست دادن جرم ایجاد می شود. بنابراین موشکی که در هنگام پرتاب سوخت از دست می دهد یا تیری که کمان خود را ترک می کند به حساب نمی آید.
ماهیچه ها موتورهای بیولوژیکی هستند که انرژی لازم برای حرکات را فراهم می کنند. برای اینکه بپرید، خم می شوید، ساق پا و سایر ماهیچه های خود را منقبض می کنید، فرآیندی که انرژی شیمیایی موجود در عضلات را به انرژی مکانیکی. تاندون‌ها، بافت‌های کششی که ماهیچه‌ها را به اسکلت متصل می‌کنند، این انرژی مکانیکی را به استخوان‌ها منتقل می‌کنند، که از این انرژی برای فشار دادن به زمین برای بالا بردن بدن استفاده می‌کنند.
پرش در قلمرو حیوانات به روش‌های شگفت‌آوری مشابه در اندازه‌ها و مقیاس‌ها عمل می‌کند - اما برخی از ویژگی‌های طراحی بیومکانیکی به موجودات خاصی اجازه می‌دهد تا محدودیت‌های بیولوژیکی را پشت سر بگذارند. قدرت یک پرش معادل مقدار انرژی در دسترس مکانیزم پرش در واحد زمان در هنگام فشار آف است. هرچه عضلات شما انرژی بیشتری تولید کنند و سریعتر از زمین بلند شوید، پرش قدرتمندتر خواهد بود.
اما با کوچکتر شدن حیوانات، پاهایشان کوتاهتر می شود و در زمان پرتاب مدت زمان کمتری با زمین در تماس هستند. بنابراین آنها باید بتوانند انرژی را برای یک پرش با ناگهانی انفجاری آزاد کنند. برای این موجودات کوچکتر، طبیعت یک راه حل خلاقانه ارائه کرد: ذخیره بیشتر انرژی پرش در بافت های بسیار الاستیک که به عنوان چشمه های بیولوژیکی کار کنید، توضیح داد گرگ ساتناستاد و محقق دانشگاه لینکلن انگلستان.
هنگامی که فنرها به طول اولیه خود باز می گردند، می توانند انرژی ذخیره شده را بسیار سریعتر از ماهیچه ها آزاد کنند، که باعث افزایش قدرت در دسترس برای پرش می شود. در نتیجه، برخی از بهترین جامپرها در دنیای بیولوژیکی آنهایی هستند که از فنر استفاده می کنند.
به عنوان مثال، ملخ انرژی عضلات پای عقب خود را در فنرهایی که روی مفاصل قرار دارد ذخیره می کند. آن چشمه‌ها که شبیه لوبیا لیما هستند، ملخ را قادر می‌سازد تا 20 تا 40 برابر بیشتر از یک عضله انسان در هر واحد جرم، نیرو وارد کند. اگرچه کل قدرت ملخ بسیار کمتر از یک انسان در حال پرش است، چگالی توان آن یا توان در واحد جرم بسیار بالاتر است. در نتیجه، ملخ می تواند تا ارتفاع حدود 0.5 متر بپرد - به طور متوسط همان چیزی است که انسان می تواند، اما ده ها برابر طول بدن ملخ.
قدرتی که ملخ ها از چشمه های خود دریافت می کنند در مقایسه با آنچه که برخی از جهنده های کوچک دیگر می توانند بدست آورند، کم رنگ می شود. کک ها می توانند 80 تا 100 برابر تراکم عضلات انسان دست پیدا کنند، در حالی که حشرات به نام قورباغه ها می توانند 600 تا 700 برابر بیشتر تولید کنند. راز قورباغه ها این است که فنر ذخیره انرژی پرش در قفسه سینه آنهاست. فاصله اضافی برای انقباض عضلانی باعث می شود قدرت بیشتری ارائه شود. ساتون گفت: «به‌نظر می‌رسد که ماهیچه‌های لگن به جای چسبیدن به لگن، به شانه‌های شما متصل شوند.
برخی از حیوانات، مانند کانگوروها، در طراحی بیومکانیکی خود فنرهای جداگانه ای ندارند، اما دارای سیستم های عضلانی الاستیک تری هستند، مانند تاندون هایی که انرژی زیادی را برای پرش بالاتر ذخیره می کنند. به عنوان مثال، گالاگوی کوچکتر - یک جهنده فوق ستاره در میان مهره داران - دارای تاندون های بسیار کششی است که با آنها می تواند بیش از 2 متر ارتفاع و تا 12 برابر طول بدن خود بپرد. (تاندون‌های انسان کمی انرژی ذخیره می‌کنند و می‌توانند مانند فنر عمل کنند، اما از راه دور به اندازه نسخه‌های فنری‌تر در حیوانات دیگر مؤثر نیستند.)
راتچینگ
حداقل برای نیم قرن، محققان عملکرد برخی از این جامپرهای بیولوژیکی شگفت‌انگیز را تجزیه و تحلیل کرده‌اند تا از طرح‌های خود در مورد جامپرهای مکانیکی مطلع شوند. اما این مطالعه جدید ممکن است اولین بار باشد که مهندسان طراح جامپرهای مکانیکی متوجه شده اند که "شما نیازی به انجام کاری ندارید که زیست شناسی انجام می دهد." شیلا پاتک، استاد زیست شناسی در دانشگاه دوک.
ربات جدید با غلبه بر محدودیت در طراحی های بیولوژیکی و انجام کارهایی که حیوانات نمی توانند به ارتفاعات پرش خود رسید. ساتون گفت: "عضلات نمی توانند جغجغه دار شوند." حتی اگر ماهیچه‌ها انرژی انقباض خود را به فنر متصل منتقل کنند، وقتی دوباره بلند شدند، آن انرژی آزاد می‌شود. بنابراین انرژی موجود برای راندن یک پرش محدود به آن چیزی است که یک خم شدن عضله می تواند فراهم کند.
اما در ربات بادگیر، یک چفت فنر کشیده را در موقعیتی بین حرکات میل لنگ نگه می دارد، بنابراین انرژی ذخیره شده همچنان در حال جمع شدن است. این فرآیند جغجغه زنی مقدار انرژی ذخیره شده موجود برای پرتاب نهایی را چند برابر می کند. ساتون گفت: علاوه بر این، سطح مقطع مربعی فنر ربات به آن امکان می‌دهد دو برابر فنرهای بیولوژیکی انرژی ذخیره کند که طراحی مثلثی‌تری دارند.
چرا موجودات بیولوژیکی برخی از توانایی‌های خود را برای به حرکت درآوردن ماهیچه‌هایشان یا حرکت در بالاتر، دورتر و سریعتر ایجاد نکرده‌اند؟
ماهیچه ها از نظر تکاملی بسیار پیر هستند. آنها تفاوت چندانی بین حشرات و انسان ندارند. ساتون گفت: «ما از اجداد بی‌نقطه‌مان، بزرگ، بزرگ، بزرگ، بزرگ، بزرگ، عضله گرفتیم. "تغییر ویژگی های اساسی بیت ها برای تکامل واقعا سخت است."
اگر فشار تکاملی بیشتری برای پرش واقعاً بالا وجود داشت، گفت: "من حدس می‌زنم که ما پرش‌کنندگان واقعاً ارتفاع را تکامل می‌دادیم." چارلی شیائو، یک دانشجوی دکترا و نویسنده مشترک با کیلی و دیگران در مورد مطالعه ربات جدید. اما قورباغه‌ها، ملخ‌ها و انسان‌ها باید نه تنها برای پریدن، بلکه برای تولید مثل، یافتن غذا، فرار از شکارچیان و انجام هر کار دیگری که زندگی نیاز دارد ساخته شوند.
ریچارد اسنراستاد علوم زیستی در دانشگاه ایلینوی جنوبی ادواردزویل توضیح داد که چگونه این مبادلات می توانند کار کنند. او گفت، موقعیت‌های زیادی وجود ندارد که بخواهید مستقیم به بالا بپرید. اغلب، زمانی که قورباغه ها و سایر موجودات کوچک به قدرت پرش نیاز دارند، به این دلیل است که آنها سعی می کنند از شکارچی پشت سر خود فرار کنند. سپس قورباغه می خواهد به سرعت هر چه بیشتر فاصله بین خود و شکارچی قرار دهد. قورباغه احتمالاً زاویه تیک آف خود را کاهش می دهد و مسیر خود را برای پریدن دورتر به جای بالاتر مسطح می کند - اما احتمالاً نه در دورترین فاصله ای که می تواند، زیرا پریدن به سمت امن معمولاً شامل یک سری پرش می شود. اکثر قورباغه ها در هوا پاهای خود را زیر بدن خود جمع می کنند تا در لحظه فرود، دوباره آماده پرش شوند.
با کمال تعجب، همیشه فشار انتخاب طبیعی برای فرود مناسب پس از یک پرش بزرگ وجود ندارد. اخیراً در با پیشرفتهای علمیاسنر و تیمش گزارش کردند که دوزیستان به نام وزغ کدو تنبل، که برخی از آنها کوچکتر از نوک یک مداد تیز هستند، تقریباً همیشه هنگام پریدن به زمین می افتند. جثه کوچک آنها ریشه مشکل آنهاست: قورباغه ها مانند سایر حیوانات حس تعادل خود را از سیستم دهلیزی در گوش داخلی خود می گیرند. اما از آنجایی که سیستم دهلیزی آنها کوچک است، نسبت به شتاب زاویه‌ای حساس نیست و قورباغه‌ها را برای تنظیم غلتیدن در حین پرش، مجهز نمی‌کند.
آنها در فرود بد تنها نیستند: ساتون گفت، گرسهاپرها نیز "در این کار وحشتناک هستند".
در پروژه ای که توسط دانشجوی فارغ التحصیل کلویی گود رهبری می شود، گروه ساتون در حال حاضر در حال بررسی این موضوع هستند که چرا ملخ ها در حین پرش خود به طور غیرقابل کنترلی می چرخند. در آزمایش‌های خود، آنها کلاه‌های ریز وزنی روی حشرات قرار دادند تا مرکز ثقل آنها را تغییر دهند. محققان دریافتند که این برای جلوگیری از چرخش ملخ ها در هوا کافی است، که در تئوری ممکن است به ملخ ها کنترل بیشتری بر فرودشان بدهد. ساتون و تیمش هیچ ایده ای ندارند که چرا حشرات با کمی وزن بیشتر در سرشان برای این ثبات تکامل نیافته اند.
اما در حالی که یک فرود تصادف برای ما به عنوان موجودات نسبتاً عظیمی که در معرض خطر شکستن استخوان هستند، خطرناک به نظر می رسد، برای موجودات کوچکتر مشکل کمتری دارد. اسنر گفت: «این یک پدیده پوسته پوسته شدن است. او گفت که با افزایش اندازه، توده بدن سریعتر از سطح مقطع استخوان های نگهدارنده افزایش می یابد که استحکام آنها را تعیین می کند. در مقایسه با فیل، موش استخوان زیادی دارد که حداقل جرم خود را حفظ می کند.
اسنر گفت: موجودات کوچک "فقط هیچ آسیبی از سقوط را تجربه نمی کنند." اسنر افزود: ممکن است فشار انتخاب به اندازه کافی قوی وجود نداشته باشد که ملخ‌ها و وزغ‌های کدو تنبل را وادار به تکامل توانایی فرود آمدن مناسب کند، که این امر آنها را آزاد می‌کند تا توانایی‌های دیگری را که برای بقایشان مهم‌تر است، تکامل دهند.
بازاندیشی در مورد محدودیت ها
ربات تیم هاکس در حال گذراندن یک تکامل خاص خود است. محققان در حال کار با ناسا هستند تا دستگاه خود را به یک ربات کاملاً کارآمد بسازند که می تواند با استفاده از پرش های کنترل شده برای پیمودن سریع مسافت های طولانی، نمونه هایی را از جهان های دیگر جمع آوری کند. شیائو گفت، در ماه، جایی که اتمسفر، کشش هوا و تنها یک ششم گرانش زمین وجود ندارد، ربات از نظر تئوری می تواند بیش از 400 متر بپرد. امید آنها این است که آن را در حدود پنج سال آینده به ماه پرتاب کنند.
و اگر در سیارات دیگر حیات وجود داشته باشد، ممکن است چیزهای جدیدی در مورد پریدن به ما بیاموزد. ساتون گفت: در گرانش کمتر، پریدن می‌تواند آسان‌تر و سریعتر از پرواز شود، بنابراین موجودات زنده ممکن است «شخصیت‌های پرش ماریو مانند» را تکامل دهند.
زندگی بیگانه همچنین ممکن است ماهیچه هایی داشته باشد که به طور متفاوتی کار می کنند، شاید با راه حل های جغجغه مانند خودشان برای ذخیره انرژی. سنت پیر گفت: «شاید آنها ساختارهای بیومکانیکی واقعاً مضحکی داشته باشند، [به طوری که] بتوانند انرژی را به روشی بسیار پیچیده‌تر ذخیره کنند.
اما حتی در زمین، حیوانات همچنان محققان را شگفت زده می کنند. همانطور که یک مطالعه احتیاطی نشان داد، حداکثر عملکرد پرش یک حیوان همیشه آن چیزی نیست که ما فکر می کنیم.
هر سال، شهرستان کالاوراس، کالیفرنیا، میزبان جشن قورباغه پرش با الهام از این جشن است داستان کوتاه معروف مارک تواین. در این نمایشگاه ها، گزارش شده است که قورباغه های گاو نر به صورت افقی 2 متر پریده اند، "به طور وحشیانه خارج از قلمروی که باید باشد." هنری آستلی، استادیار دانشگاه آکرون. قبلاً شناخته شده بود که قورباغه های گاو نر حداکثر 1.3 متر می پرند. بنابراین حدود یک دهه پیش، زمانی که آستلی کار دکترای خود را آغاز کرد، برای حل این مشکل به کالیفرنیا سفر کرد.
در این جشن، او و همکارانش چند قورباغه کرایه کردند، کمی کیک قیفی خوردند و مشغول کار شدند. با تجزیه و تحلیل داده‌های پرش قورباغه از تیم‌های مسابقه و اعضای عموم مردم، دریافتند که این گزارش‌ها اغراق آمیز نبوده است. بیش از نیمی از پرش هایی که آنها ثبت کردند دورتر از پرش های موجود در ادبیات بود. آنها در نهایت متوجه شدند (و بعدا به تفصیل در چیزی که ساتون آن را "بزرگترین کاغذ پرشی که تا به حال نوشته شده" می نامد) که حداقل بخشی از دلیل این اختلاف این بود که انگیزه های قورباغه ها متفاوت بود. در فضای باز مسابقات کانتی کالاوراس، قورباغه‌ها از «قورباغه‌بازان» می‌ترسیدند، افرادی که با سرعت زیاد به سمت قورباغه‌ها پرتاب می‌کردند. اما در آزمایشگاه، جایی که چنین حرکات نمایشی رایج نبود، قورباغه ها از هیچ کس نمی ترسیدند. آنها فقط می خواستند تنها بمانند.
