2021 nyarán a kaliforniai Santa Barbara tengerparti szikláinak tetején Chris Keeley, aki akkor még egyetemista volt a közeli egyetemen, kuporgott, hogy kihúzzon egy köteg fémet és gumit a hátizsákjából. Egy robot volt, amelynek feltekerésével néhány percet töltött.
Amikor végzett, rekordot ütött az iPhone kameráján, és nézte, amint a robot a magasba emelkedik, magas ívet rajzol az égre, és szépen leszáll a lábához. Keeley megkönnyebbült; sok korábbi próbaugrás kudarcot vallott. Csak aznap este, amikor visszatért a hálószobájába, és letöltötte az ugrásadatokat a laptopjára, akkor jött rá, hogy milyen jól működött.
Az ugró rekordmagasságot, körülbelül 32.9 métert ért el, ahogy Keeley és munkatársai, élükön Elliot Hawkes, a Santa Barbarai Kaliforniai Egyetem gépészmérnöki kutatója, áprilisban jelentették in Természet. Nem csak, hogy több mint háromszor magasabbra ugrott, mint a többi kísérleti robot, amelyet erre a feladatra építettek, de több mint 14-szer magasabbra ugrott, mint az állatvilág bármely más lénye. Minden valószínűség szerint a robotjuk magasabbra ugrott, mint valaha a Földön.
„Úgy gondolom, hogy ez azon kevés robotok egyike, amelyek ténylegesen felülmúlják a biológiát, és az a mód, ahogyan felülmúlja a biológiát, hihetetlenül okos” – mondta. Ryan St. Pierre, a Buffalo Egyetem gépészeti és repüléstechnikai tanszékének adjunktusa, aki nem vett részt a vizsgálatban.
A robot sikere rávilágít azokra a fizikai korlátokra, amelyekkel a biológiai ugrók szembesülnek a vadonban. Bár ezek a korlátok megakadályozzák, hogy az emberek úgy ugorjanak be az élelmiszerboltba, mintha pogobotokon lennének, és megakadályozzák, hogy a békák kiessenek a felhőkből, a biológia saját zseniális megoldásokat talált ki, amelyek ameddig csak lehet tolják az ugrás magasságát és hosszát. , az egyes állatok ugrási igényeihez szabott kis biomechanikai finomításokkal.
Még a világ legnagyobb ugrója mögött álló mérnökök is ámulatba ejtik a biológia saját terveit. Nos, „bárhová nézek, ugrást látok” – mondta Keeley. – Nem tudok segíteni magamon.
Az ugrás aktusa
A kutatók írták, hogy az ugrás olyan mozgási aktus, amelyet a talajra gyakorolt erőhatás okoz anélkül, hogy tömegveszteséget okozna; így a rakéta, amely üzemanyagot veszít az indításkor, vagy egy nyíl, amely elhagyja az íját, nem számít.
Az izmok azok a biológiai motorok, amelyek energiát adnak a mozgásokhoz. Az ugráshoz leguggol, összehúzza a vádlit és más izmokat. Ez a folyamat az izmokban rendelkezésre álló kémiai energiát átalakítja mechanikus energia. Az inak, az izmokat a csontvázzal összekötő nyújtó szövetek továbbítják ezt a mechanikai energiát a csontokhoz, amelyek ezt az energiát a talajnak nyomva, felfelé mozdítva a testet.
Az ugrás az állatvilágban meglepően hasonló módon működik a különböző méretekben és léptékekben – de néhány biomechanikai tervezési furcsaság lehetővé teszi bizonyos lények számára, hogy átlépjék a biológiai határokat. Az ugrás ereje megegyezik azzal, hogy a kilökődés során mennyi energia áll az ugráló mechanizmus rendelkezésére időegységenként. Minél több energiát termelnek az izmaid, és minél gyorsabban száll fel a talajról, annál erősebb lesz az ugrás.
De ahogy az állatok egyre kisebbek, lábaik rövidebbek lesznek, és indítás közben kevesebb ideig érintkeznek a talajjal. Ezért fel kell tudniuk engedni az energiát egy kirobbanó hirtelen ugráshoz. Ezeknek a kisebb lényeknek a számára a természet kreatív megoldást talált ki: az ugrási energia nagy részét rendkívül rugalmas szövetekben tárolja. biológiai rugókként működnek- magyarázta Greg Sutton, az angliai Lincoln Egyetem professzora és tudományos munkatársa.
Amikor visszapattannak eredeti hosszukba, a rugók sokkal gyorsabban tudják felszabadítani a tárolt energiát, mint az izmok, ami növeli az ugráshoz rendelkezésre álló erőt. Ennek eredményeként a biológiai világ legjobb jumperei közé tartoznak azok, amelyek rugókat használnak.
Például egy szöcske a hátsó lábizmok energiáját az ízületeken található rugókban tárolja. Azok a rugók, amelyek úgy néznek ki, mint a lima bab, lehetővé teszik a szöcske számára, hogy tömegegységenként 20-40-szer nagyobb erőt tudjon ugrani, mint egy emberi izom. Bár a szöcske teljes ereje jóval kisebb, mint egy ugró ember, teljesítménysűrűsége vagy tömegegységenkénti teljesítménye sokkal nagyobb. Ennek eredményeként a szöcske körülbelül 0.5 méter magasra tud ugrani – átlagosan ugyanannyit, mint az ember, de a szöcske testhosszának több tucatszorosa.
A szöcskék rugóktól kapott erőnövekedése elhalványul ahhoz képest, amit más apró jumperek képesek felmutatni. A bolhák 80-100-szor nagyobb erősűrűséget tudnak elérni, mint az emberi izomzat, míg a békahüvelynek nevezett rovarok 600-700-szor annyit. A békászok titka az, hogy az ugrási energia tárolására szolgáló rugójuk a mellkasukban van; az izomösszehúzódáshoz szükséges extra távolság nagyobb erő leadását teszi lehetővé. „Olyan, mintha a csípőizmod a medencédhez tapadna, a válladhoz kapcsolódna” – mondta Sutton.
Egyes állatok, például a kenguruk, nem rendelkeznek külön rugóval a biomechanikai kialakításukban, de rugalmasabb izomrendszerük van, például az inak, amelyek sok energiát tárolnak a magasabbra ugráshoz. A kisebb galago például – egy szupersztár ugró a gerincesek között – rendkívül feszített inakkal rendelkezik, amelyekkel több mint 2 méter magasra ugorhat, és testhosszának akár 12-szeresére is képes. (Az emberi inak tárolnak egy kis energiát, és rugókként működhetnek, de távolról sem olyan hatékonyak, mint a rugósabb változatok más állatoknál.)
Racsnis
A kutatók legalább fél évszázada elemezték e csodálatos biológiai jumperek teljesítményét, hogy tájékoztassák a mechanikus jumpereket. De ez az új tanulmány lehet az első alkalom, amikor a mechanikus jumpereket tervező mérnökök rájöttek, hogy „nem kell azt csinálni, amit a biológia csinál” – mondta. Sheila Patek, a Duke Egyetem biológiaprofesszora.
Az új robot rekord ugrásmagasságokat ért el azáltal, hogy legyőzte a biológiai tervezés korlátait, és megtette azt, amit az állatok nem tudnak. – Az izmok nem tudnak kattanni – mondta Sutton. Még ha az izmok az összehúzódásuk energiáját át is adják egy hozzákapcsolt rugónak, amikor ismét megnyúlnak, ez az energia felszabadul. Az ugráshoz rendelkezésre álló energia tehát arra korlátozódik, amit egy izom egy hajlítása képes biztosítani.
A felhúzó robotban azonban egy retesz tartja a megfeszített rugót a forgatómozdulatok között, így a tárolt energia folyamatosan felhalmozódik. Ez a racsnis folyamat megsokszorozza az esetleges ugrás elindításához rendelkezésre álló tárolt energia mennyiségét. Ezenkívül Sutton elmondta, hogy a robot rugójának négyzetes keresztmetszete lehetővé teszi, hogy kétszer annyi energiát tároljon, mint a biológiai rugók, amelyek háromszögletűbbek.
Miért nem fejlesztettek ki bizonyos képességet a biológiai lények izmaik racsnizására vagy más módon magasabbra, távolabbra és gyorsabban mozgatni magukat?
Az izmok evolúciósan nagyon öregek; nem különböznek annyira a rovarok és az emberek között. „Az izmokat a gerinc nélküli őseinktől kaptuk” – mondta Sutton. "A bitek alapvető tulajdonságainak megváltoztatása nagyon nehéz az evolúció szempontjából."
Ha nagyobb lett volna az evolúciós nyomás arra, hogy igazán magasra ugorjunk, „azt hiszem, igazán magasugrókat fejlesztettünk volna ki” – mondta. Charlie Xiao, doktorandusz és Keeley-vel és másokkal társszerzője az új robottanulmányban. A békákat, szöcskéket és az embereket azonban nemcsak ugrásra kell felépíteni, hanem szaporodni, táplálékot találni, elmenekülni a ragadozók elől, és megtenni minden mást, amit az élet megkíván.
Richard Essner, a Southern Illinois University Edwardsville biológiai tudományok professzora elmagyarázta, hogyan működhetnek ezek a kompromisszumok. Nem sok olyan helyzet van, amikor egyenesen fel akarna ugrani, mondta. Leggyakrabban, amikor a békáknak és más kis lényeknek ugróerőre van szükségük, ez azért van, mert megpróbálnak elmenekülni a mögöttük lévő ragadozó elől. Ekkor a béka minél nagyobb távolságot akar elhelyezni maga és a ragadozó között. A béka valószínűleg csökkenti felszállási szögét, simítja a röppályáját, hogy messzebbre ugorjon, semmint feljebb – de valószínűleg nem a legmesszebbre, mert a biztonságba ugrás általában egy sor ugrással jár. A legtöbb béka a teste alá hajtja a lábát a levegőben, hogy a leszállás pillanatában újra ugrásra készen álljon.
Meglepő módon nem mindig van természetes kiválasztódási nyomás a megfelelő leszálláshoz egy nagy ugrás után. Nemrégiben Tudomány előlegek, Essner és csapata arról számolt be, hogy a kétéltűek, amelyeket tökös varangynak neveznek, amelyek némelyike kisebb, mint egy kihegyezett ceruza hegye, ugráskor szinte mindig lezuhan. Apró méretük a probléma gyökere: más állatokhoz hasonlóan a békák is a belső fülükben lévő vesztibuláris rendszerből nyerik egyensúlyérzéküket. De mivel a vesztibuláris rendszerük kicsi, viszonylag érzéketlen a szöggyorsulásra, így a békák nem tudnak alkalmazkodni az ugrás közbeni bukáshoz.
Nincsenek egyedül azzal, hogy rosszul landolnak: a szöcskék is „rettenetesek” – mondta Sutton.
A Chloe Goode végzős hallgató által vezetett projektben Sutton csoportja jelenleg azt vizsgálja, hogy a szöcskék miért pörögnek fékezhetetlenül ugrásaik közben. Kísérleteik során apró súlyú cilinderekkel látták el a rovarokat, hogy eltoljanak a súlypontjuk. A kutatók azt találták, hogy ez elég ahhoz, hogy megakadályozza a szöcskék pörögését a levegőben, ami elméletileg nagyobb kontrollt biztosíthat a szöcskéknek a leszállás felett. Suttonnak és csapatának fogalma sincs, hogy a rovarok miért nem fejlődtek ki úgy, hogy egy kicsit nagyobb súllyal a fejükben a stabilitás érdekében.
De míg a leszállás veszélyesnek tűnik számunkra, mivel viszonylag masszív lények vagyunk, akiknél fennáll a csonttörés veszélye, a kisebb lények számára ez kevésbé jelent problémát. "Ez egy méretezési jelenség" - mondta Essner. A méret növekedésével a testtömeg gyorsabban növekszik, mint a tartócsontok keresztmetszete, ami meghatározza azok erősségét – mondta. Egy elefánthoz képest az egérnek sok csontja van, amely megtámasztja minimális tömegét.
A kis lények „csak nem szenvednek kárt az eséstől” – mondta Essner. Lehetséges, hogy nem volt elég erős a szelekciós nyomás ahhoz, hogy a szöcskék és a tökvarangyok a megfelelő landolási képesség fejlesztésére kényszerítsék őket, ami felszabadította őket a túlélésük szempontjából fontosabb képességek fejlesztésére – tette hozzá Essner.
A határok újragondolása
A Hawkes csapat robotja saját evolúción megy keresztül. A kutatók a NASA-val azon dolgoznak, hogy készüléküket egy teljesen működőképes robottá fejlesszék, amely más világokon is képes mintákat gyűjteni, irányított ugrások segítségével gyorsan megtenni a nagy távolságokat. A Holdon, ahol nincs légkör, nincs légellenállás és a Föld gravitációjának csak egyhatoda, a robot elméletileg több mint 400 métert ugorhatna, mondta Xiao. Azt remélik, hogy a következő öt évben eljuttatják a Holdra.
És ha más bolygókon is van élet, akkor az új dolgokat taníthat meg nekünk az ugrásról. Kisebb gravitáció esetén az ugrás könnyebbé és gyorsabbá válhat, mint a repülés, így az élőlények „Mario-szerű ugró karaktereket” fejleszthetnek ki – mondta Sutton.
Az idegen életnek is lehetnek olyan izmai, amelyek másképp működnek, talán saját, racsnis energiatárolási megoldásokkal. "Talán tényleg nevetséges biomechanikai szerkezetük van, [olyan], hogy sokkal bonyolultabb módon képesek tárolni az energiát" - mondta St. Pierre.
De még a Földön is az állatok továbbra is meglepik a kutatókat. Amint egy figyelmeztető tanulmány kimutatta, az állatok maximális ugrási teljesítménye nem mindig az, amit gondolnánk.
A kaliforniai Calaveras megyében minden évben megrendezik a Jumping Frog Jubileum-t, amelyet ihlettek Mark Twain híres novellája. Ezeken a vásárokon a jelentések szerint a kecskebékák vízszintesen 2 métert ugrottak, „vadon kívül azon a területen, aminek lennie kellene” – mondta. Henry Astley, adjunktus az akroni egyetemen. A bikabékákról korábban úgy volt, hogy legfeljebb 1.3 métert ugrottak. Így körülbelül egy évtizede, amikor Astley doktori munkájába kezdett, Kaliforniába utazott, hogy rendezze a kérdést.
A jubileum alkalmából munkatársaival kibéreltek egy kis békát, evett tölcséres tortát és nekiláttak a munkának. A versenycsapatok és a nagyközönség tagjaitól származó békaugrások adatait elemezve rájöttek, hogy a jelentések nem túlzások. Az általuk rögzített ugrások több mint fele messzebbre esett, mint az irodalomban szereplők. Végül rájöttek (és később részletezve abban, amit Sutton „a valaha írt legnagyobb ugráló papírnak” nevez), az eltérésnek legalábbis részben az volt az oka, hogy a békák motivációi eltérőek voltak. A Calaveras megyei verseny szabadtéri keretein belül a békák féltek a „béka zsokéktól”, azoktól az emberektől, akik nagy sebességgel egész testükben kitörést hajtottak végre a békák felé. De a laborban, ahol nem voltak gyakoriak az ilyen drámai mozdulatok, a békák senkitől sem rettegtek; csak egyedül akartak maradni.
