Pada musim panas 2021, di atas tebing pantai Santa Barbara, California, Chris Keeley, yang saat itu adalah seorang sarjana di universitas terdekat, berjongkok untuk mengeluarkan seikat logam dan karet dari ranselnya. Itu adalah robot, yang dia habiskan beberapa menit untuk menyelesaikannya.
Ketika dia selesai, dia mencapai rekor di kamera iPhone-nya dan menyaksikan robot itu meluncur tinggi ke udara, menggambar busur tinggi di langit dan mendarat dengan rapi di dekat kakinya. Keeley merasa lega; banyak tes melompat sebelumnya telah gagal. Tidak sampai larut malam ketika dia kembali ke kamar tidurnya dan mengunduh data lompatan ke laptopnya, dia menyadari betapa bagusnya itu bekerja.
Pelompat telah mencapai ketinggian yang memecahkan rekor sekitar 32.9 meter, saat Keeley dan rekan-rekannya, dipimpin oleh Elliot Hawkes, seorang peneliti teknik mesin di University of California, Santa Barbara, dilaporkan pada bulan April in Alam. Tidak hanya itu melompat lebih dari tiga kali lebih tinggi dari robot eksperimental lain yang dibangun untuk tugas itu, ia telah melompat lebih dari 14 kali lebih tinggi daripada makhluk lain di dunia hewan. Kemungkinan besar, robot mereka melompat lebih tinggi dari apa pun yang pernah ada di Bumi.
“Saya pikir ini adalah salah satu dari sedikit robot yang benar-benar mengungguli biologi, dan cara itu mengungguli biologi sangat pintar,” kata Ryan St, asisten profesor di departemen teknik mesin dan kedirgantaraan di Universitas Buffalo yang tidak terlibat dalam penelitian ini.
Keberhasilan robot menyoroti keterbatasan fisik yang dihadapi pelompat biologis di alam liar. Meskipun keterbatasan ini mencegah manusia melompat ke toko kelontong seolah-olah mereka menggunakan tongkat pogo dan mencegah katak jatuh dari awan, biologi telah menemukan solusi cerdiknya sendiri yang mendorong tinggi dan panjang lompatan sejauh mungkin. , melalui penyesuaian biomekanik kecil yang disesuaikan untuk kebutuhan lompatan setiap hewan.
Bahkan para insinyur di balik pelompat terhebat di dunia masih kagum dengan desain biologi itu sendiri. Sekarang, "ke mana pun saya melihat, saya melihat melompat," kata Keeley. "Aku tidak bisa menahan diri."
Tindakan Melompat
Lompatan adalah tindakan gerakan yang disebabkan oleh penerapan gaya ke tanah tanpa kehilangan massa apa pun, tulis para peneliti; jadi roket, yang kehilangan bahan bakar saat diluncurkan, atau panah, yang meninggalkan busurnya, tidak dihitung.
Otot adalah motor biologis yang menyediakan energi untuk gerakan. Untuk melompat, Anda berjongkok, mengkontraksikan betis dan otot lainnya, suatu proses yang mengubah energi kimia yang tersedia di otot menjadi energi mekanik. Tendon, jaringan elastis yang menghubungkan otot ke kerangka, mengirimkan energi mekanik itu ke tulang, yang menggunakan energi itu untuk mendorong ke tanah untuk mendorong tubuh ke atas.
Melompat bekerja dengan cara yang sangat mirip di seluruh ukuran dan skala di dunia hewan - tetapi beberapa keanehan desain biomekanik memungkinkan makhluk tertentu untuk mendorong batas biologis. Kekuatan lompatan setara dengan berapa banyak energi yang tersedia untuk mekanisme lompatan per unit waktu selama push-off. Semakin banyak energi yang dihasilkan otot Anda dan semakin cepat Anda turun dari tanah, semakin kuat lompatannya.
Tetapi ketika hewan semakin kecil, kaki mereka menjadi lebih pendek dan kontak dengan tanah lebih sedikit selama peluncuran. Karena itu mereka harus bisa melepaskan energi untuk melompat dengan tiba-tiba yang eksplosif. Untuk makhluk yang lebih kecil ini, alam datang dengan solusi kreatif: menyimpan sebagian besar energi lompatan dalam jaringan yang sangat elastis yang bekerja sebagai mata air biologisdijelaskan Greg Sutton, seorang profesor dan peneliti di University of Lincoln di Inggris.
Saat menjentikkan kembali ke panjang aslinya, pegas dapat melepaskan energi yang tersimpan itu jauh lebih cepat daripada otot, yang meningkatkan daya yang tersedia untuk lompatan. Akibatnya, beberapa pelompat terbaik di dunia biologi adalah pelompat yang menggunakan pegas.
Misalnya, belalang menyimpan energi otot kaki belakangnya di pegas yang terletak di persendian. Mata air itu, yang terlihat seperti kacang lima, memungkinkan belalang untuk memasukkan 20 hingga 40 kali lebih banyak kekuatan per unit massa ke dalam lompatannya daripada yang bisa dilakukan otot manusia. Meskipun daya total belalang jauh lebih kecil daripada yang dihasilkan manusia yang melompat, kepadatan dayanya, atau daya per satuan massa, jauh lebih tinggi. Hasilnya, belalang bisa melompat hingga ketinggian sekitar 0.5 meter — rata-rata sama dengan yang bisa dilakukan manusia, tapi puluhan kali lipat dari panjang tubuh belalang.
Dorongan kekuatan yang diperoleh belalang dari mata air mereka tidak ada artinya jika dibandingkan dengan apa yang dapat dikerahkan oleh beberapa pelompat kecil lainnya. Kutu dapat mencapai 80 hingga 100 kali kepadatan kekuatan otot manusia, sedangkan serangga yang disebut froghoppers dapat menghasilkan 600 hingga 700 kali lipat. Rahasia kodok adalah bahwa pegas mereka untuk menyimpan energi lompatan ada di dada mereka; jarak ekstra untuk kontraksi otot memungkinkan pengiriman lebih banyak kekuatan. "Ini akan menjadi seolah-olah otot pinggul Anda, bukannya menempel pada panggul Anda, melekat pada bahu Anda," kata Sutton.
Beberapa hewan, seperti kanguru, tidak memiliki pegas terpisah dalam desain biomekaniknya, tetapi mereka memiliki sistem otot yang lebih elastis, seperti tendon yang menyimpan banyak energi untuk melompat lebih tinggi. Galago yang lebih rendah, misalnya - pelompat superstar di antara vertebrata - memiliki tendon yang sangat melar sehingga ia dapat melompat setinggi lebih dari 2 meter, dan hingga 12 kali panjang tubuhnya. (Tendon manusia menyimpan sedikit energi dan dapat bertindak seperti pegas, tetapi tidak seefektif versi pegas pada hewan lain.)
Memutar
Setidaknya selama setengah abad, para peneliti telah menganalisis kinerja beberapa jumper biologis yang menakjubkan ini untuk menginformasikan desain jumper mekanis mereka. Tetapi studi baru ini mungkin menandai pertama kalinya para insinyur yang merancang jumper mekanis menyadari bahwa "Anda tidak perlu melakukan apa yang dilakukan biologi," kata Sheila Patek, seorang profesor biologi di Duke University.
Robot baru mencapai rekor lompatan ketinggian dengan mengatasi kendala pada desain biologis dan melakukan apa yang tidak bisa dilakukan hewan. "Otot tidak bisa bergerak," kata Sutton. Bahkan jika otot mentransfer energi kontraksi mereka ke pegas yang terpasang, ketika mereka memanjang lagi, energi itu dilepaskan. Oleh karena itu, energi yang tersedia untuk mendorong lompatan terbatas pada apa yang dapat diberikan oleh satu kelenturan otot.
Namun pada robot penggulung, kait menahan pegas yang diregangkan pada posisinya di antara gerakan memutar, sehingga energi yang tersimpan terus bertambah. Proses ratcheting ini mengalikan jumlah energi yang tersimpan yang tersedia untuk meluncurkan lompatan akhirnya. Lebih lanjut, Sutton mengatakan, penampang persegi pegas robot memungkinkannya menyimpan energi dua kali lebih banyak daripada pegas biologis, yang memiliki desain lebih segitiga.
Mengapa makhluk biologis tidak mengembangkan beberapa kemampuan untuk menggerakkan otot mereka atau menggerakkan diri mereka lebih tinggi, lebih jauh, dan lebih cepat?
Otot secara evolusi sangat tua; mereka tidak jauh berbeda antara serangga dan manusia. “Kami mendapat otot dari nenek moyang kami yang tidak bertulang belakang,” kata Sutton. "Mengubah sifat dasar bit sangat sulit untuk evolusi."
Seandainya ada lebih banyak tekanan evolusioner untuk melompat sangat tinggi, "Saya kira kita akan mengembangkan pelompat yang sangat tinggi," kata Charlie Xiao, seorang mahasiswa doktoral dan rekan penulis dengan Keeley dan lain-lain pada studi robot baru. Tetapi katak, belalang, dan manusia perlu dibangun tidak hanya untuk melompat, tetapi untuk berkembang biak, mencari makanan, melarikan diri dari pemangsa, dan melakukan segala hal lain yang dibutuhkan kehidupan.
Richard Essner, seorang profesor ilmu biologi di Southern Illinois University Edwardsville, menjelaskan bagaimana pertukaran tersebut dapat bekerja. Tidak banyak situasi di mana Anda ingin melompat lurus ke atas, katanya. Paling sering, ketika katak dan makhluk kecil lainnya membutuhkan kekuatan melompat, itu karena mereka mencoba melarikan diri dari pemangsa di belakang mereka. Kemudian katak ingin dengan cepat menempatkan jarak sejauh mungkin antara dirinya dan pemangsanya. Katak kemungkinan akan mengurangi sudut lepas landasnya, meratakan lintasannya untuk melompat lebih jauh daripada lebih tinggi - tetapi mungkin bukan yang terjauh, karena melompat ke tempat yang aman biasanya melibatkan serangkaian lompatan. Kebanyakan katak melipat kaki mereka di bawah tubuh mereka di udara sehingga pada saat mendarat, mereka siap untuk melompat lagi.
Anehnya, tidak selalu ada tekanan seleksi alam untuk mendarat dengan benar setelah lompatan besar. Baru di Kemajuan ilmu pengetahuan, Essner dan timnya melaporkan bahwa amfibi yang disebut kodok labu, beberapa di antaranya lebih kecil dari ujung pensil yang tajam, hampir selalu mendarat saat mereka melompat. Ukuran kecil mereka adalah akar dari masalah mereka: Seperti hewan lain, katak mendapatkan rasa keseimbangan dari sistem vestibular di telinga bagian dalam mereka. Tetapi karena sistem vestibular mereka kecil, ia relatif tidak sensitif terhadap percepatan sudut, membuat katak tidak siap untuk menyesuaikan diri agar tidak jatuh saat melompat.
Mereka tidak sendirian dalam mendarat dengan buruk: Belalang juga “sangat buruk”, kata Sutton.
Dalam sebuah proyek yang dipimpin oleh mahasiswa pascasarjana Chloe Goode, kelompok Sutton sedang mempelajari mengapa belalang berputar tak terkendali selama lompatan mereka. Dalam percobaan mereka, mereka melengkapi serangga dengan topi kecil berbobot untuk menggeser pusat gravitasi mereka. Para peneliti menemukan bahwa ini cukup untuk menghentikan belalang berputar di udara, yang secara teori mungkin memberi belalang lebih banyak kendali atas pendaratan mereka. Sutton dan timnya tidak tahu mengapa serangga tidak berevolusi dengan sedikit beban di kepala mereka untuk stabilitas itu.
Tapi sementara pendaratan darurat terdengar berbahaya bagi kita sebagai makhluk yang relatif besar dengan risiko patah tulang, itu tidak terlalu bermasalah untuk makhluk yang lebih kecil. "Ini adalah fenomena penskalaan," kata Essner. Dengan bertambahnya ukuran, massa tubuh meningkat lebih cepat daripada luas penampang tulang pendukung, yang menentukan kekuatannya, katanya. Dibandingkan dengan gajah, tikus memiliki banyak tulang yang menopang massa minimalnya.
Makhluk kecil “tidak mengalami kerusakan apapun dari jatuh,” kata Essner. Mungkin tidak ada tekanan seleksi yang cukup kuat untuk mewajibkan belalang dan kodok labu untuk mengembangkan kemampuan mendarat dengan benar, yang membebaskan mereka untuk mengembangkan kemampuan lain yang lebih penting untuk kelangsungan hidup mereka, tambah Essner.
Memikirkan Kembali Batas
Robot tim Hawkes sedang mengalami evolusinya sendiri. Para peneliti bekerja dengan NASA untuk mengembangkan perangkat mereka menjadi robot yang berfungsi penuh yang dapat mengumpulkan sampel di dunia lain, menggunakan lompatan terkontrol untuk melintasi jarak jauh dengan cepat. Di bulan, di mana tidak ada atmosfer, tidak ada hambatan udara dan hanya seperenam gravitasi Bumi, robot itu secara teoritis bisa melompat lebih dari 400 meter, kata Xiao. Harapan mereka adalah meluncurkannya ke bulan dalam lima tahun ke depan atau lebih.
Dan jika ada kehidupan di planet lain, mungkin ada hal baru yang mengajari kita tentang melompat. Pada gravitasi yang lebih rendah, melompat bisa menjadi lebih mudah dan lebih cepat daripada terbang, sehingga organisme mungkin berevolusi "karakter melompat seperti Mario," kata Sutton.
Kehidupan alien mungkin juga memiliki otot yang bekerja secara berbeda, mungkin dengan solusi mereka sendiri yang mirip ratchet untuk penyimpanan energi. “Mungkin mereka memiliki struktur biomekanik yang sangat konyol, [sehingga] mereka dapat menyimpan energi dengan cara yang jauh lebih rumit,” kata St. Pierre.
Tetapi bahkan di Bumi, hewan terus mengejutkan para peneliti. Seperti yang ditunjukkan oleh satu studi peringatan, kinerja lompatan maksimum seekor hewan tidak selalu seperti yang kita pikirkan.
Setiap tahun, Calaveras County, California, menyelenggarakan Jubilee Jumping Frog yang terinspirasi oleh Cerpen Mark Twain yang terkenal. Di pameran ini, katak dilaporkan melompat 2 meter secara horizontal, “dengan liar di luar wilayah yang seharusnya,” kata Henry Astley, asisten profesor di Universitas Akron. Kodok sebelumnya diketahui bisa melompat paling banyak sekitar 1.3 meter. Jadi sekitar satu dekade yang lalu, ketika Astley memulai pekerjaan doktoralnya, dia pergi ke California untuk menyelesaikan masalah tersebut.
Pada Yobel, dia dan rekan kerjanya menyewa beberapa katak, makan kue corong dan mulai bekerja. Dengan menganalisis data lompat katak dari tim kompetisi dan anggota masyarakat umum, mereka menemukan bahwa laporan tersebut tidak berlebihan. Lebih dari setengah lompatan yang mereka rekam lebih jauh daripada yang ada dalam literatur. Mereka akhirnya menyadari (dan nanti rinci dalam apa yang disebut Sutton "kertas melompat terbesar yang pernah ditulis") bahwa setidaknya sebagian dari alasan perbedaan itu adalah bahwa motivasi katak berbeda. Di arena kompetisi Calaveras County di luar ruangan, katak-katak itu takut pada “joki katak”, orang-orang yang melakukan lunge seluruh tubuh ke arah katak dengan kecepatan tinggi. Tapi di lab, di mana gerakan dramatis seperti itu tidak umum, katak tidak takut pada siapa pun; mereka hanya ingin dibiarkan sendiri.
