Kesällä 2021 Kalifornian Santa Barbaran rannikkokallioiden huipulla Chris Keeley, joka oli tuolloin tutkinnon suorittanut läheisessä yliopistossa, kyyristyi vetääkseen metalli- ja kuminippua repustaan. Se oli robotti, jonka purkamiseen hän käytti useita minuutteja.
Kun hän oli valmis, hän teki ennätyksen iPhonensa kameralla ja katseli robotin lentävän itsensä korkealle ilmaan, piirtävän korkean kaaren taivaalle ja laskeutuvan siististi hänen jalkojensa lähelle. Keeley oli helpottunut; monet aiemmat koehypyt olivat epäonnistuneet. Vasta myöhemmin samana iltana, kun hän palasi makuuhuoneeseensa ja latasi hyppytiedot kannettavaan tietokoneeseensa, hän tajusi, kuinka hyvin se oli toiminut.
Hyppääjä oli saavuttanut ennätyskorkeuden, noin 32.9 metriä, kun Keeley ja hänen työtoverinsa, joita johtivat Elliot Hawkes, konetekniikan tutkija Kalifornian yliopistossa Santa Barbarassa, raportoitiin huhtikuussa in luonto. Sen lisäksi, että se oli hypännyt yli kolme kertaa korkeammalle kuin muut tätä tehtävää varten rakennetut kokeelliset robotit, se oli hypännyt yli 14 kertaa korkeammalle kuin mikään muu eläinkunnan olento. Todennäköisesti heidän robottinsa hyppäsi korkeammalle kuin mikään koskaan maan päällä.
"Mielestäni tämä on yksi harvoista roboteista, jotka todella tekevät biologiaa paremmin, ja tapa, jolla se ylittää biologian, on uskomattoman fiksu", sanoi Ryan St. Pierre, Buffalon yliopiston mekaniikka- ja ilmailutekniikan laitoksen apulaisprofessori, joka ei ollut mukana tutkimuksessa.
Robotin menestys korostaa fyysisiä rajoituksia, joita biologiset hyppääjät kohtaavat luonnossa. Vaikka nämä rajoitukset estävät ihmisiä hyppäämästä ruokakauppaan ikään kuin he olisivat pogotikkujen päällä ja estävät sammakoita putoamasta pilvistä, biologia on keksinyt omat nerokkaat ratkaisunsa, jotka työntävät hyppyn korkeutta ja pituutta niin pitkälle kuin mahdollista. , pienten biomekaanisten säätöjen avulla, jotka on räätälöity kunkin eläimen hyppytarpeiden mukaan.
Jopa maailman suurimman hyppääjän takana olevat insinöörit ovat edelleen ihmeissään biologian omia suunnitelmia kohtaan. Nyt, "minne tahansa katson, näen hyppäävän", Keeley sanoi. "En voi auttaa itseäni."
Hyppäämisen teko
Hyppy on liiketoimi, jonka aiheuttaa voiman kohdistaminen maahan ilman massan menetystä, tutkijat kirjoittivat; näin ollen rakettia, joka menettää polttoainetta laukaisussa, tai nuolta, joka lähtee keulastaan, ei lasketa.
Lihakset ovat biologisia moottoreita, jotka antavat energiaa liikkeisiin. Hyppäämiseksi kyykistyt alas ja supistat pohkeita ja muita lihaksia. Tämä prosessi muuttaa lihaksissa olevan kemiallisen energian mekaaninen energia. Jänteet, venyvät kudokset, jotka yhdistävät lihaksia luurankoon, välittävät tämän mekaanisen energian luihin, jotka käyttävät tätä energiaa työntääkseen maata vasten kehon työntämiseksi ylöspäin.
Hyppy toimii yllättävän samanlaisilla tavoilla eri kokoisissa ja mittakaavassa eläinkunnassa – mutta jotkin biomekaaniset suunnittelun omituisuudet antavat tiettyjen olentojen ylittää biologisia rajoja. Hypyn teho vastaa sitä, kuinka paljon energiaa hyppymekanismilla on käytettävissä aikayksikköä kohden työntymisen aikana. Mitä enemmän energiaa lihaksesi tuottavat ja mitä nopeammin nouset maasta, sitä tehokkaampi hyppy on.
Mutta kun eläimet pienenevät, niiden jalat lyhenevät ja ovat kosketuksissa maahan vähemmän aikaa laukaisun aikana. Siksi heidän on kyettävä vapauttamaan energiaa hyppäämiseen räjähdysmäisellä äkillisyydellä. Luonto keksi näitä pienempiä olentoja varten luovan ratkaisun: suurin osa hyppyenergiasta varastoitiin erittäin elastisiin kudoksiin, jotka toimivat biologisina lähteinä, selitetty Greg Sutton, professori ja tutkija Lincolnin yliopistossa Englannissa.
Kun jouset napsauttavat takaisin alkuperäiseen pituuteensa, ne voivat vapauttaa varastoidun energian paljon nopeammin kuin lihakset, mikä lisää hyppyyn käytettävissä olevaa tehoa. Tämän seurauksena jotkin biologisen maailman parhaista hyppääjistä ovat sellaisia, jotka käyttävät jousia.
Esimerkiksi heinäsirkka varastoi takajalkalihasten energiaa nivelissä oleviin jousiin. Nämä jouset, jotka näyttävät limapavuilta, antavat heinäsirkkaan laittaa 20–40 kertaa enemmän voimaa massayksikköä kohti hyppyyn kuin ihmisen lihas pystyy. Vaikka heinäsirkan kokonaisteho on paljon pienempi kuin hyppäävän ihmisen, sen tehotiheys tai teho massayksikköä kohti on paljon suurempi. Tämän seurauksena heinäsirkka voi hypätä noin 0.5 metrin korkeuteen – keskimäärin samaan korkeuteen kuin ihminen, mutta kymmeniä kertoja heinäsirkan ruumiinpituuteen verrattuna.
Heinäsirkkojen jousista saama tehonlisäys kalpenee verrattuna siihen, mitä jotkut muut pienet hyppääjät voivat saada. Kirput voivat saavuttaa 80–100-kertaisen voimatiheyden ihmisen lihaksiin verrattuna, kun taas froghopperiksi kutsutut hyönteiset voivat tuottaa 600–700 kertaa niin paljon. Sammakkohopperien salaisuus on, että heidän hyppyenergian varastointijousi on rintakehässä; ylimääräinen etäisyys lihasten supistukseen mahdollistaa enemmän tehon toimituksen. "Se olisi ikään kuin lantion lihakset olisivat kiinnittyneet hartioihin sen sijaan, että ne olisivat kiinnittyneet lantioon", Sutton sanoi.
Joillakin eläimillä, kuten kenguruilla, ei ole erillisiä jousia biomekaanisessa rakenteessa, mutta niillä on joustavammat lihasjärjestelmät, kuten jänteet, jotka varastoivat paljon energiaa korkeammalle hyppäämiseen. Esimerkiksi pienemmällä galagolla - selkärankaisten supertähtihyppääjällä - on erittäin venyvät jänteet, joiden avulla se voi hypätä yli 2 metrin korkeuteen ja jopa 12 kertaa kehonsa pituuteen. (Ihmisen jänteet varastoivat hieman energiaa ja voivat toimia kuin jousi, mutta ne eivät ole yhtä tehokkaita kuin muiden eläinten joustoperäiset versiot.)
hammastussuuntaa
Ainakin puolen vuosisadan ajan tutkijat ovat analysoineet joidenkin näiden hämmästyttävien biologisten jumpperien suorituskykyä saadakseen tietoa mekaanisten hyppyjohtimien suunnittelusta. Mutta tämä uusi tutkimus saattaa olla ensimmäinen kerta, kun mekaanisia jumpperia suunnittelevat insinöörit ovat ymmärtäneet, että "sinun ei tarvitse tehdä sitä, mitä biologia tekee", sanoi. Sheila Patek, biologian professori Duken yliopistossa.
Uusi robotti saavutti ennätyskorkeudet voittamalla biologisten suunnitelmien rajoitteen ja tekemällä sitä, mitä eläimet eivät pysty. "Lihakset eivät voi räikkää", Sutton sanoi. Vaikka lihakset siirtäisivät supistumisensa energian kiinnitettyyn jouseen, kun ne taas pidentyvät, se energia vapautuu. Hyppäämiseen käytettävissä oleva energia rajoittuu siksi siihen, mitä yksi lihaksen taipuminen voi tarjota.
Mutta rullausrobotissa salpa pitää venytetyn jousen paikallaan pyöritysliikkeiden välillä, joten varastoitunutta energiaa kertyy jatkuvasti. Tämä räikkäprosessi moninkertaistaa mahdollisen hypyn käynnistämiseen käytettävissä olevan varastoidun energian määrän. Lisäksi Sutton sanoi, että robotin jousen neliömäinen poikkileikkaus mahdollistaa sen, että se voi varastoida kaksi kertaa enemmän energiaa kuin biologiset jouset, joilla on kolmiomaisempi rakenne.
Miksi biologiset olennot eivät kehittäneet kykyä räihdyttää lihaksiaan tai muuten liikkua korkeammalle, pidemmälle ja nopeammin?
Lihakset ovat evoluutionaalisesti hyvin vanhoja; ne eivät eroa niin paljon hyönteisten ja ihmisten välillä. "Saimme lihaksia selkärangattomista esi-isiltämme", Sutton sanoi. "Bittien perusominaisuuksien muuttaminen on todella vaikeaa evoluution kannalta."
Jos olisi ollut enemmän evoluution painetta hypätä todella korkealle, "olemme varmaan kehittäneet todella korkealle hyppääjiä", sanoi Charlie Xiao, jatko-opiskelija ja Keeleyn ja muiden kirjoittaja uudessa robottitutkimuksessa. Mutta sammakoita, heinäsirkkaa ja ihmisiä ei tarvitse rakentaa vain hyppäämään, vaan lisääntymään, etsimään ruokaa, pakenemaan petoeläimiä ja tekemään kaikkea muuta, mitä elämä vaatii.
Richard Essner, biologisten tieteiden professori Southern Illinois University Edwardsvillessä, selitti, kuinka nämä kompromissit voivat toimia. Ei ole monia tilanteita, joissa haluaisi hypätä suoraan ylös, hän sanoi. Useimmiten, kun sammakot ja muut pienet olennot tarvitsevat hyppyvoimaa, se johtuu siitä, että ne yrittävät paeta takanaan olevaa saalistajaa. Sitten sammakko haluaa nopeasti asettaa mahdollisimman paljon etäisyyttä itsensä ja saalistajan välille. Sammakko todennäköisesti pienentää lentoonlähtökulmaansa ja tasoittaa lentorataa hypätäkseen kauemmas kuin korkeammalle – mutta ei luultavasti kauimpana, koska hyppääminen turvaan sisältää yleensä sarjan hyppyjä. Useimmat sammakot taittavat jalkansa vartalonsa alle ilmaan, jotta ne ovat heti laskeutumisen jälkeen valmiita hyppäämään.
Yllättävää kyllä, luonnonvalinnassa ei aina ole paineita laskeutua kunnolla suuren hypyn jälkeen. Äskettäin Tiede ennakot, Essner ja hänen tiiminsä raportoivat, että sammakkoeläimet, joita kutsutaan kurpitsan rupikonnaksi, joista osa on pienempiä kuin teroitettu lyijykynä, osuvat lähes aina maahan hyppääessään. Niiden pieni koko on heidän ongelmansa syy: Kuten muutkin eläimet, sammakot saavat tasapainon sisäkorvansa vestibulaarijärjestelmästä. Mutta koska heidän vestibulaarijärjestelmänsä on pieni, se on suhteellisen epäherkkä kulmakiihtyvyydelle, mikä jättää sammakot huonosti sopeutumaan hyppyyn.
He eivät ole yksin laskeutuessaan huonosti: heinäsirkat ovat myös "vain kauheita", Sutton sanoi.
Jatko-opiskelija Chloe Gooden johtamassa projektissa Suttonin ryhmä tutkii parhaillaan, miksi heinäsirkat pyörivät hallitsemattomasti hyppyjen aikana. Kokeissaan he varustivat hyönteiset pienillä painotetuilla silintereillä siirtääkseen niiden painopistettä. Tutkijat havaitsivat, että tämä riitti estämään heinäsirkkoja pyörimästä ilmassa, mikä voisi teoriassa antaa heinäsirkoille enemmän hallintaa laskeutumisestaan. Suttonilla ja hänen tiimillään ei ole aavistustakaan, miksi hyönteiset eivät kehittyneet niin, että heidän päässään oli vähän enemmän painoa tämän vakauden takaamiseksi.
Mutta vaikka törmäyslasku kuulostaa vaaralliselta meille suhteellisen massiivista olennoista, jotka ovat vaarassa murtua luut, se on vähemmän ongelmallinen pienemmille olennoille. "Se on skaalausilmiö", Essner sanoi. Koon kasvaessa kehon massa kasvaa nopeammin kuin tukiluiden poikkileikkauspinta-ala, mikä määrää niiden lujuuden, hän sanoi. Elefanttiin verrattuna hiiressä on paljon luuta, joka tukee sen vähimmäismassaa.
Pienet olennot "eivät vain koe mitään vahinkoa putoamisesta", Essner sanoi. Essner lisäsi, että valintapaine ei ehkä ole ollut riittävän voimakas pakottaakseen heinäsirkat ja kurpitsan koadit kehittämään kykyään laskeutua kunnolla, mikä vapautti heidät kehittämään muita selviytymisensä kannalta tärkeämpiä kykyjä.
Rajojen uudelleen miettiminen
Hawkes-tiimin robotti käy läpi omaa kehitystään. Tutkijat työskentelevät NASAn kanssa kehittääkseen laitteestaan täysin toimivan robotin, joka voisi kerätä näytteitä muista maailmoista käyttämällä kontrolloituja hyppyjä ylittääkseen nopeasti pitkiä matkoja. Kuussa, jossa ei ole ilmakehää, ilman vastusta ja vain kuudesosa Maan painovoimasta, robotti voisi teoriassa hypätä yli 400 metriä, Xiao sanoi. Heidän toivonsa on laukaista se Kuuhun seuraavan viiden vuoden aikana.
Ja jos muilla planeetoilla on elämää, sillä voi olla uusia asioita opetettavana meille hyppäämisestä. Pienemmillä painovoimailla hyppäämisestä voi tulla helpompaa ja nopeampaa kuin lentäminen, joten organismit voivat kehittää "Mariokaltaisia hyppääviä hahmoja", Sutton sanoi.
Vieraselämässä saattaa myös olla lihaksia, jotka toimivat eri tavalla, ehkä omilla räikkämäisillä ratkaisuilla energian varastointiin. "Ehkä niillä on todella naurettavia biomekaanisia rakenteita, [sellaisia], että ne voivat varastoida energiaa paljon monimutkaisemmalla tavalla", St. Pierre sanoi.
Mutta jopa maan päällä eläimet yllättävät edelleen tutkijoita. Kuten yksi varoittava tutkimus osoitti, eläimen maksimaalinen hyppysuorituskyky ei aina ole sitä, mitä luulisimme.
Kalifornian Calaverasin piirikunnassa järjestetään joka vuosi Jumping Frog Jubilee, jonka innoittamana on Mark Twainin kuuluisa novelli. Näillä messuilla härkäsammakon kerrotaan hypänneen 2 metriä vaakasuoraan, "villisti sen alueen ulkopuolella, mitä sen pitäisi olla", sanoi. Henry Astley, apulaisprofessori Akronin yliopistossa. Härkäsammakoiden tiedettiin aiemmin hyppäävän korkeintaan noin 1.3 metriä. Joten noin vuosikymmen sitten, kun Astley aloitti väitöstyönsä, hän matkusti Kaliforniaan ratkaisemaan ongelman.
Juhlapäivänä hän vuokrasi työtovereidensa kanssa sammakoita, söi suppilokakkua ja ryhtyi töihin. Analysoimalla kilpailuryhmien ja suuren yleisön sammakon hyppytietoja he havaitsivat, että raportit eivät olleet liioittelua. Yli puolet heidän tallentamistaan hyppyistä oli kauempana kuin kirjallisuudessa. Lopulta he ymmärsivät (ja myöhemmin tarkennettu siinä, mitä Sutton kutsuu "parhaimmaksi koskaan kirjoitetuksi hyppypaperiksi"), että ainakin osa eron syynä oli sammakoiden motivaatioiden ero. Calaveras Countyn kilpailun ulkotiloissa sammakot pelkäsivät "sammakkojockeyja", ihmisiä, jotka suorittivat koko kehon syöksyjä sammakoita kohti suurilla nopeuksilla. Mutta laboratoriossa, jossa niin dramaattiset liikkeet eivät olleet yleisiä, sammakot eivät pelänneet ketään; he vain halusivat jäädä rauhaan.
