रिकॉर्ड तोड़ने वाला रोबोट इस बात पर प्रकाश डालता है कि कूदने में पशु कैसे उत्कृष्टता प्राप्त करते हैं

2021 की गर्मियों में, सांता बारबरा, कैलिफ़ोर्निया की तटीय चट्टानों के ऊपर, क्रिस कीली, जो उस समय पास के विश्वविद्यालय में स्नातक थे, अपने बैग से धातु और रबर का एक बंडल खींचने के लिए झुके। यह एक रोबोट था, जिसे बंद करने में उन्होंने कई मिनट बिताए।

जब वह किया गया था, उसने अपने iPhone के कैमरे पर रिकॉर्ड मारा और देखा कि रोबोट खुद को हवा में ऊंचा लॉन्च करता है, आकाश में एक लंबा चाप खींचता है और अपने पैरों के पास बड़े करीने से उतरता है। कीली को राहत मिली; पिछले कई टेस्ट जंप फेल हो गए थे। उस रात बाद में जब वह अपने शयनकक्ष में लौटा और अपने लैपटॉप पर जंप डेटा डाउनलोड किया तो उसे एहसास हुआ कि यह कितनी अच्छी तरह काम करता है।

केली और उनके सहयोगियों के नेतृत्व में जम्पर लगभग 32.9 मीटर की रिकॉर्ड-ब्रेकिंग ऊंचाई तक पहुंच गया था। इलियट हॉक्स, कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, सांता बारबरा में एक मैकेनिकल इंजीनियरिंग शोधकर्ता, अप्रैल में सूचना दी in प्रकृति. इसने न केवल उस कार्य के लिए बनाए गए अन्य प्रायोगिक रोबोटों की तुलना में तीन गुना से अधिक ऊंची छलांग लगाई थी, बल्कि इसने जानवरों के साम्राज्य के किसी भी अन्य प्राणी की तुलना में 14 गुना अधिक छलांग लगाई थी। सभी संभावना में, उनका रोबोट पृथ्वी पर किसी भी चीज़ से अधिक ऊंचा कूद गया।

"मुझे लगता है कि यह बहुत कम रोबोटों में से एक है जो वास्तव में जीव विज्ञान से बेहतर प्रदर्शन करता है, और जिस तरह से यह जीव विज्ञान से बेहतर प्रदर्शन करता है वह अविश्वसनीय रूप से चतुर है," ने कहा रयान सेंट पियरे, बफ़ेलो विश्वविद्यालय में मैकेनिकल और एयरोस्पेस इंजीनियरिंग विभाग में एक सहायक प्रोफेसर जो अध्ययन में शामिल नहीं थे।

रोबोट की सफलता उन भौतिक सीमाओं को उजागर करती है जो जैविक कूदने वालों को जंगली में सामना करना पड़ता है। हालाँकि ये सीमाएँ मनुष्यों को किराने की दुकान पर जाने से रोकती हैं जैसे कि वे पोगो स्टिक पर हों और मेंढकों को बादलों से बाहर गिरने से रोकें, जीव विज्ञान अपने स्वयं के सरल वर्कअराउंड के साथ आया है जो कूद की ऊँचाई और लंबाई को जहाँ तक वे जा सकते हैं , प्रत्येक जानवर की कूदने की जरूरतों के अनुरूप छोटे बायोमेकेनिकल ट्विक्स के माध्यम से।

यहां तक ​​​​कि दुनिया के सबसे बड़े जम्पर के इंजीनियर भी जीव विज्ञान के अपने डिजाइनों से हैरान हैं। अब, "जहाँ भी मैं देखता हूँ मैं कूदता हुआ देखता हूँ," कीली ने कहा। "मैं अपनी मदद नहीं कर सकता।"

कूदने की क्रिया

शोधकर्ताओं ने लिखा है कि छलांग बिना किसी द्रव्यमान के नुकसान के जमीन पर बल लगाने के कारण होने वाली गति है; इस प्रकार एक रॉकेट, जो प्रक्षेपण पर ईंधन खो देता है, या एक तीर, जो अपना धनुष छोड़ देता है, की गिनती नहीं होती है।

मांसपेशियां जैविक मोटर हैं जो आंदोलनों के लिए ऊर्जा प्रदान करती हैं। कूदने के लिए, आप नीचे झुकते हैं, अपने बछड़ों और अन्य मांसपेशियों को सिकोड़ते हुए, एक प्रक्रिया जो मांसपेशियों में उपलब्ध रासायनिक ऊर्जा को परिवर्तित करती है यांत्रिक ऊर्जा. टेंडन, खिंचाव वाले ऊतक जो मांसपेशियों को कंकाल से जोड़ते हैं, उस यांत्रिक ऊर्जा को हड्डियों तक पहुंचाते हैं, जो उस ऊर्जा का उपयोग शरीर को ऊपर की ओर धकेलने के लिए जमीन पर धकेलने के लिए करती हैं।

कूदना जानवरों के साम्राज्य में आकार और तराजू में आश्चर्यजनक रूप से समान तरीके से काम करता है - लेकिन कुछ बायोमैकेनिकल डिज़ाइन क्विर्क कुछ जीवों को जैविक सीमाओं को आगे बढ़ाने की अनुमति देते हैं। कूदने की शक्ति पुश-ऑफ के दौरान प्रति यूनिट समय में कूदने वाले तंत्र के लिए कितनी ऊर्जा उपलब्ध है, इसके बराबर है। आपकी मांसपेशियां जितनी अधिक ऊर्जा उत्पन्न करती हैं और जितनी तेजी से आप जमीन से उतरेंगे, उतनी ही शक्तिशाली छलांग होगी।

लेकिन जैसे-जैसे जानवर छोटे होते जाते हैं, उनके पैर छोटे होते जाते हैं और प्रक्षेपण के दौरान कम समय के लिए जमीन के संपर्क में रहते हैं। इसलिए उन्हें विस्फोटक अचानक से कूदने के लिए ऊर्जा जारी करने में सक्षम होना चाहिए। इन छोटे जीवों के लिए, प्रकृति एक रचनात्मक समाधान के साथ आई: कूदने की अधिकांश ऊर्जा को अत्यधिक लोचदार ऊतकों में संग्रहीत करना जैविक स्प्रिंग्स के रूप में काम करें, व्याख्या की ग्रेग सटन, इंग्लैंड में यूनिवर्सिटी ऑफ लिंकन में प्रोफेसर और रिसर्च फेलो।

जब अपनी मूल लंबाई में वापस तड़कते हैं, तो स्प्रिंग्स उस संग्रहीत ऊर्जा को मांसपेशियों की तुलना में बहुत तेजी से जारी कर सकते हैं, जिससे कूदने के लिए उपलब्ध शक्ति बढ़ जाती है। नतीजतन, जैविक दुनिया में सबसे अच्छे कूदने वालों में से कुछ ऐसे हैं जो स्प्रिंग्स का उपयोग करते हैं।

उदाहरण के लिए, एक टिड्डा अपने पिछले पैर की मांसपेशियों की ऊर्जा को जोड़ों पर स्थित स्प्रिंग्स में संग्रहीत करता है। वे स्प्रिंग्स, जो लीमा बीन्स की तरह दिखते हैं, टिड्डे को मानव मांसपेशियों की तुलना में प्रति यूनिट द्रव्यमान में 20 से 40 गुना अधिक शक्ति अपनी छलांग में लगाने में सक्षम बनाते हैं। यद्यपि टिड्डे की कुल शक्ति एक कूदते हुए मानव द्वारा उत्पन्न की तुलना में बहुत कम है, इसकी शक्ति घनत्व, या प्रति इकाई द्रव्यमान की शक्ति, बहुत अधिक है। नतीजतन, टिड्डा लगभग 0.5 मीटर की ऊंचाई तक कूद सकता है - औसतन उतना ही जितना मनुष्य कर सकता है, लेकिन टिड्डे के शरीर की लंबाई का दर्जनों गुना।

कुछ अन्य छोटे कूदने वालों की तुलना में टिड्डों को उनके झरनों से मिलने वाली शक्ति की वृद्धि होती है। पिस्सू मानव मांसपेशियों की शक्ति घनत्व का 80 से 100 गुना प्राप्त कर सकते हैं, जबकि मेंढक नामक कीड़े 600 से 700 गुना अधिक उत्पन्न कर सकते हैं। मेंढकों का रहस्य यह है कि कूदने की ऊर्जा के भंडारण के लिए उनका वसंत उनके वक्ष में होता है; मांसपेशियों के संकुचन के लिए अतिरिक्त दूरी अधिक शक्ति के वितरण को सक्षम बनाती है। "ऐसा होगा जैसे कि आपके कूल्हे की मांसपेशियां, आपके श्रोणि से जुड़ने के बजाय, आपके कंधों से जुड़ी हों," सटन ने कहा।

कंगारू जैसे कुछ जानवरों के बायोमेकेनिकल डिज़ाइन में अलग स्प्रिंग्स नहीं होते हैं, लेकिन उनके पास अधिक लोचदार पेशी प्रणालियाँ होती हैं, जैसे कि टेंडन जो उच्च कूदने के लिए बहुत अधिक ऊर्जा संग्रहीत करते हैं। उदाहरण के लिए, कम गैलागो - कशेरुकियों के बीच एक सुपरस्टार जम्पर - में अत्यधिक खिंचाव वाले टेंडन होते हैं जिसके साथ यह 2 मीटर से अधिक ऊंची छलांग लगा सकता है, और शरीर की लंबाई 12 गुना तक बढ़ सकता है। (मानव टेंडन थोड़ी सी ऊर्जा जमा करते हैं और स्प्रिंग्स की तरह कार्य कर सकते हैं, लेकिन वे अन्य जानवरों में स्प्रिंगियर संस्करणों के रूप में दूर से प्रभावी नहीं हैं।)

ratcheting

कम से कम आधी सदी के लिए, शोधकर्ताओं ने यांत्रिक कूदने वालों के अपने डिजाइनों को सूचित करने के लिए इनमें से कुछ अद्भुत जैविक कूदने वालों के प्रदर्शन का विश्लेषण किया है। लेकिन यह नया अध्ययन पहली बार चिह्नित कर सकता है कि मैकेनिकल जंपर्स को डिजाइन करने वाले इंजीनियरों ने महसूस किया है कि "आपको वह करने की आवश्यकता नहीं है जो जीव विज्ञान कर रहा है," ने कहा शीला पाटेकीड्यूक विश्वविद्यालय में जीव विज्ञान के प्रोफेसर।

नया रोबोट जैविक डिजाइनों पर एक बाधा को पार करके और वह कर रहा है जो जानवर नहीं कर सकते हैं। "मांसपेशियों को शाफ़्ट नहीं कर सकते," सटन ने कहा। भले ही मांसपेशियां अपने संकुचन की ऊर्जा को एक संलग्न स्प्रिंग में स्थानांतरित कर दें, जब वे फिर से लंबी हो जाती हैं, तो वह ऊर्जा निकल जाती है। इसलिए एक छलांग लगाने के लिए उपलब्ध ऊर्जा एक मांसपेशी के एक फ्लेक्स द्वारा प्रदान की जा सकने वाली ऊर्जा तक सीमित है।

लेकिन विंड-अप रोबोट में, क्रैंकिंग आंदोलनों के बीच एक कुंडी स्ट्रेच्ड स्प्रिंग को स्थिति में रखती है, इसलिए संग्रहीत ऊर्जा का निर्माण होता रहता है। यह रैचिंग प्रक्रिया अंतिम छलांग लगाने के लिए उपलब्ध संग्रहीत ऊर्जा की मात्रा को कई गुना बढ़ा देती है। इसके अलावा, सटन ने कहा, रोबोट के वसंत का वर्ग क्रॉस सेक्शन इसे जैविक स्प्रिंग्स के रूप में दोगुनी ऊर्जा स्टोर करने में सक्षम बनाता है, जिसमें अधिक त्रिकोणीय डिज़ाइन होता है।

जैविक जीवों ने अपनी मांसपेशियों को शाफ़्ट करने की क्षमता विकसित क्यों नहीं की या अन्यथा खुद को ऊँचा, आगे और तेज़ी से आगे बढ़ाया?

मांसपेशियां क्रमिक रूप से बहुत पुरानी हैं; वे कीड़ों और मनुष्यों के बीच इतना अंतर नहीं करते हैं। "हमें अपने महान-महान-महान-महान-महान-महान रीढ़ की हड्डी रहित पूर्वजों से मांसपेशियां मिलीं," सटन ने कहा। "बिट्स के मौलिक गुणों को बदलना विकास के लिए वास्तव में कठिन है।"

अगर वास्तव में उच्च कूदने के लिए और अधिक विकासवादी दबाव होता, "मुझे लगता है कि हम वास्तव में उच्च कूदने वाले विकसित होते," ने कहा चार्ली जिओ, एक डॉक्टरेट छात्र और नए रोबोट अध्ययन पर कीली और अन्य के साथ सह-लेखक। लेकिन मेंढक, टिड्डे और इंसानों को न केवल कूदने के लिए, बल्कि प्रजनन के लिए, भोजन खोजने, शिकारियों से बचने और जीवन के लिए आवश्यक हर चीज करने के लिए बनाया जाना चाहिए।

रिचर्ड एस्नेर, दक्षिणी इलिनोइस विश्वविद्यालय एडवर्ड्सविले में जैविक विज्ञान के एक प्रोफेसर ने बताया कि वे ट्रेड-ऑफ कैसे काम कर सकते हैं। ऐसी कई स्थितियाँ नहीं हैं जहाँ आप सीधे ऊपर कूदना चाहते हैं, उन्होंने कहा। अक्सर, जब मेंढक और अन्य छोटे जीवों को कूदने की शक्ति की आवश्यकता होती है, ऐसा इसलिए होता है क्योंकि वे अपने पीछे एक शिकारी से बचने की कोशिश कर रहे होते हैं। फिर मेंढक अपने और शिकारी के बीच जितनी जल्दी हो सके उतनी दूरी बनाना चाहता है। मेंढक अपने टेकऑफ़ कोण को कम कर सकता है, अपने प्रक्षेपवक्र को समतल करने के बजाय अधिक से अधिक कूदने के लिए - लेकिन शायद यह सबसे दूर नहीं हो सकता है, क्योंकि सुरक्षा के लिए आमतौर पर हॉप्स की एक श्रृंखला शामिल होती है। अधिकांश मेंढक अपने पैरों को अपने शरीर के नीचे हवा में मोड़ते हैं ताकि लैंडिंग के तुरंत बाद, वे फिर से कूदने के लिए तैयार हों।

हैरानी की बात यह है कि बड़ी छलांग के बाद ठीक से उतरने के लिए हमेशा प्राकृतिक चयन का दबाव नहीं होता है। हाल ही में विज्ञान अग्रिमएस्नर और उनकी टीम ने बताया कि उभयचरों को कद्दू टॉडलेट कहा जाता है, जिनमें से कुछ एक नुकीले पेंसिल की नोक से छोटे होते हैं, जब वे कूदते हैं तो लगभग हमेशा दुर्घटनाग्रस्त हो जाते हैं। उनका छोटा आकार उनकी समस्या की जड़ में है: अन्य जानवरों की तरह, मेंढक अपने आंतरिक कान में वेस्टिबुलर सिस्टम से संतुलन की भावना प्राप्त करते हैं। लेकिन क्योंकि उनका वेस्टिबुलर सिस्टम छोटा होता है, यह कोणीय त्वरण के प्रति अपेक्षाकृत असंवेदनशील होता है, जिससे मेंढक कूद के दौरान टंबलिंग के लिए समायोजित करने के लिए अयोग्य हो जाते हैं।

वे बुरी तरह से उतरने में अकेले नहीं हैं: सटन ने कहा कि टिड्डे "बस भयानक हैं"।

स्नातक छात्र क्लो गोडे के नेतृत्व में एक परियोजना में, सटन का समूह वर्तमान में अध्ययन कर रहा है कि टिड्डे अपनी छलांग के दौरान अनियंत्रित रूप से क्यों घूमते हैं। अपने प्रयोगों में, उन्होंने अपने गुरुत्वाकर्षण के केंद्र को स्थानांतरित करने के लिए कीड़ों को छोटे भारित शीर्ष टोपियों के साथ तैयार किया। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह टिड्डों को हवा में घूमने से रोकने के लिए पर्याप्त था, जो सैद्धांतिक रूप से टिड्डों को उनके उतरने पर अधिक नियंत्रण दे सकता है। सटन और उनकी टीम को पता नहीं है कि स्थिरता के लिए कीड़े अपने सिर में थोड़ा अधिक वजन के साथ विकसित क्यों नहीं हुए।

लेकिन जब एक क्रैश लैंडिंग हमारे लिए अपेक्षाकृत बड़े जीवों के रूप में हड्डियों के टूटने के जोखिम के रूप में खतरनाक लगता है, तो छोटे जीवों के लिए यह कम समस्याग्रस्त है। "यह एक स्केलिंग घटना है," एस्नर ने कहा। बढ़ते आकार के साथ, शरीर का द्रव्यमान सहायक हड्डियों के क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र की तुलना में अधिक तेज़ी से बढ़ता है, जो उनकी ताकत को निर्धारित करता है, उन्होंने कहा। एक हाथी की तुलना में, एक चूहे के पास बहुत अधिक हड्डी होती है जो अपने न्यूनतम द्रव्यमान को ऊपर उठाती है।

छोटे जीव "बस गिरने से किसी भी नुकसान का अनुभव नहीं करते हैं," एस्नर ने कहा। एस्नर ने कहा कि टिड्डों और कद्दू के टॉडलेट्स को ठीक से उतरने की क्षमता विकसित करने के लिए उपकृत करने के लिए पर्याप्त मजबूत चयन दबाव नहीं हो सकता है, जिसने उन्हें अन्य क्षमताओं को विकसित करने के लिए मुक्त कर दिया, जो उनके अस्तित्व के लिए अधिक महत्वपूर्ण हैं।

सीमाओं पर पुनर्विचार

हॉक्स टीम रोबोट अपने स्वयं के विकास के दौर से गुजर रहा है। शोधकर्ता अपने डिवाइस को पूरी तरह से काम करने वाले रोबोट में विकसित करने के लिए नासा के साथ काम कर रहे हैं जो लंबी दूरी को जल्दी से पार करने के लिए नियंत्रित छलांग का उपयोग करके अन्य दुनिया में नमूने एकत्र कर सकता है। जिओ ने कहा कि चंद्रमा पर, जहां कोई वायुमंडल नहीं है, कोई वायु ड्रैग नहीं है और पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण का केवल एक-छठा हिस्सा है, रोबोट सैद्धांतिक रूप से 400 मीटर से अधिक कूद सकता है। उनकी उम्मीद है कि अगले पांच सालों में इसे चंद्रमा पर लॉन्च किया जाएगा।

और अगर अन्य ग्रहों पर जीवन है, तो इसमें हमें कूदने के बारे में सिखाने के लिए नई चीजें हो सकती हैं। कम गुरुत्वाकर्षण पर, कूदना उड़ने से आसान और तेज़ हो सकता है, इसलिए जीव "मारियो जैसे कूदने वाले पात्र" विकसित कर सकते हैं, सटन ने कहा।

विदेशी जीवन में मांसपेशियां भी हो सकती हैं जो अलग तरह से काम करती हैं, शायद ऊर्जा भंडारण के लिए अपने स्वयं के शाफ़्ट जैसे समाधानों के साथ। सेंट पियरे ने कहा, "शायद उनके पास वास्तव में हास्यास्पद बायोमेकेनिकल संरचनाएं हैं, [जैसे] कि वे ऊर्जा को और अधिक जटिल तरीके से स्टोर कर सकते हैं।"

लेकिन पृथ्वी पर भी, जानवरों ने शोधकर्ताओं को आश्चर्यचकित करना जारी रखा है। जैसा कि एक सतर्क अध्ययन से पता चला है, किसी जानवर का अधिकतम कूदने का प्रदर्शन हमेशा वैसा नहीं होता जैसा हम सोच सकते हैं।

कैलावरस काउंटी, कैलिफ़ोर्निया हर साल से प्रेरित एक जंपिंग फ्रॉग जुबली का आयोजन करता है मार्क ट्वेन की प्रसिद्ध लघुकथा. इन मेलों में, बुलफ्रॉग के 2 मीटर क्षैतिज रूप से कूदने की सूचना है, "जो होना चाहिए उसके दायरे से बेतहाशा बाहर," ने कहा हेनरी एस्टली, एक्रोन विश्वविद्यालय में एक सहायक प्रोफेसर। बुलफ्रॉग को पहले लगभग 1.3 मीटर तक कूदने के लिए जाना जाता था। तो लगभग एक दशक पहले, जब एस्टली ने अपने डॉक्टरेट का काम शुरू किया, तो उन्होंने इस मुद्दे को सुलझाने के लिए कैलिफ़ोर्निया की यात्रा की।

जयंती पर, उन्होंने और उनके सहकर्मियों ने कुछ मेंढक किराए पर लिए, कुछ फ़नल केक खाया और काम पर लग गए। प्रतियोगिता टीमों और आम जनता के सदस्यों से मेंढक कूद डेटा का विश्लेषण करके, उन्होंने पाया कि रिपोर्ट एक अतिशयोक्ति नहीं थी। उनके द्वारा दर्ज किए गए आधे से अधिक छलांग साहित्य की तुलना में अधिक दूर थे। उन्हें अंततः एहसास हुआ (और बाद में विस्तृत सटन ने जिसे "अब तक लिखा सबसे बड़ा जंपिंग पेपर" कहा है) कि विसंगति के कारण का कम से कम हिस्सा यह था कि मेंढकों की प्रेरणाएँ भिन्न थीं। कैलावेरस काउंटी प्रतियोगिता की बाहरी सेटिंग में, मेंढक "मेंढक जॉकी" से डरते थे, जो लोग उच्च गति पर मेंढकों की ओर पूरे शरीर के फेफड़ों का प्रदर्शन करते थे। लेकिन प्रयोगशाला में, जहां इस तरह की नाटकीय हरकतें आम नहीं थीं, मेंढक किसी से भी नहीं डरते थे; वे केवल अकेले रहना चाहते थे।