Nell'estate del 2021, in cima alle scogliere costiere di Santa Barbara, in California, Chris Keeley, allora studente universitario presso la vicina università, si accovacciò per tirare fuori dallo zaino un fagotto di metallo e gomma. Era un robot, che ha impiegato diversi minuti a caricare.
Quando ha finito, ha registrato sulla fotocamera del suo iPhone e ha osservato il robot lanciarsi in alto in aria, disegnare un alto arco nel cielo e atterrare ordinatamente vicino ai suoi piedi. Keeley fu sollevato; molti precedenti salti di prova erano falliti. Fu solo più tardi quella notte, quando tornò nella sua camera da letto e scaricò i dati del salto sul suo laptop che si rese conto di quanto avesse funzionato bene.
Il saltatore aveva raggiunto un'altezza da record di circa 32.9 metri, come Keeley e i suoi collaboratori, guidati da Elliot Hawkes, ricercatore di ingegneria meccanica presso l'Università della California, Santa Barbara, segnalato in aprile in Natura. Non solo aveva saltato più di tre volte più in alto di altri robot sperimentali costruiti per quel compito, aveva saltato più di 14 volte più in alto di qualsiasi altra creatura nel regno animale. Con ogni probabilità, il loro robot è saltato più in alto di qualsiasi cosa abbia mai fatto sulla Terra.
"Penso che questo sia uno dei pochissimi robot che supera effettivamente la biologia e il modo in cui supera la biologia è incredibilmente intelligente", ha affermato Ryan St.Pierre, un assistente professore nel dipartimento di ingegneria meccanica e aerospaziale dell'Università di Buffalo che non è stato coinvolto nello studio.
Il successo del robot mette in evidenza i limiti fisici che i saltatori biologici devono affrontare in natura. Sebbene queste limitazioni impediscano agli esseri umani di saltare al supermercato come se fossero su bastoncini pogo e impediscano alle rane di cadere dalle nuvole, la biologia ha escogitato le sue soluzioni ingegnose che spingono l'altezza e la lunghezza del salto il più lontano possibile , attraverso piccole modifiche biomeccaniche su misura per le esigenze di salto di ogni animale.
Anche gli ingegneri dietro il più grande saltatore del mondo sono ancora sbalorditi dai progetti della biologia. Ora, "ovunque guardo vedo saltare", ha detto Keeley. "Non riesco a trattenermi."
L'atto di saltare
Un salto è un atto di movimento causato dall'applicazione di forza al suolo senza la perdita di massa, hanno scritto i ricercatori; quindi un razzo, che perde carburante al lancio, o una freccia, che lascia l'arco, non contano.
I muscoli sono i motori biologici che forniscono l'energia per i movimenti. Per saltare, ti accovacci, contraendo i polpacci e gli altri muscoli, un processo che converte l'energia chimica disponibile nei muscoli in energia meccanica. I tendini, tessuti elastici che collegano i muscoli allo scheletro, trasmettono quell'energia meccanica alle ossa, che usano quell'energia per spingere contro il suolo per spingere il corpo verso l'alto.
Il salto funziona in modi sorprendentemente simili tra dimensioni e scale nel regno animale, ma alcune stranezze del design biomeccanico consentono ad alcune creature di superare i limiti biologici. La potenza di un salto è equivalente a quanta energia è disponibile per il meccanismo di salto per unità di tempo durante il push-off. Più energia generano i tuoi muscoli e più velocemente ti alzi da terra, più potente sarà il salto.
Ma man mano che gli animali diventano più piccoli, le loro gambe si accorciano e rimangono a contatto con il suolo per meno tempo durante il lancio. Hanno quindi bisogno di essere in grado di liberare l'energia per un salto con una repentinità esplosiva. Per queste creature più piccole, la natura ha escogitato una soluzione creativa: immagazzinare la maggior parte dell'energia del salto in tessuti altamente elastici che funzionano come sorgenti biologiche, spiegato Greg Sutton, professore e ricercatore presso l'Università di Lincoln in Inghilterra.
Quando tornano alla loro lunghezza originale, le molle possono rilasciare quell'energia immagazzinata molto più velocemente dei muscoli, il che aumenta la potenza disponibile per il salto. Di conseguenza, alcuni dei migliori saltatori del mondo biologico sono quelli che usano le molle.
Ad esempio, una cavalletta immagazzina l'energia dei muscoli delle zampe posteriori in molle situate sulle articolazioni. Quelle molle, che sembrano fagioli di lima, consentono alla cavalletta di mettere da 20 a 40 volte più potenza per unità di massa nel suo salto rispetto a un muscolo umano. Sebbene la potenza totale della cavalletta sia molto inferiore a quella generata da un essere umano che salta, la sua densità di potenza, o potenza per unità di massa, è molto più alta. Di conseguenza, la cavalletta può saltare a un'altezza di circa 0.5 metri, la stessa media che possono fare gli umani, ma dozzine di volte la lunghezza del corpo della cavalletta.
La spinta di potenza che le cavallette ottengono dalle loro molle impallidisce rispetto a quella che possono raccogliere altri piccoli saltatori. Le pulci possono raggiungere da 80 a 100 volte la densità di potenza dei muscoli umani, mentre gli insetti chiamati froghopper possono generare da 600 a 700 volte tanto. Il segreto dei froghopper è che la loro sorgente per immagazzinare l'energia del salto è nel loro torace; la distanza extra per la contrazione muscolare consente l'erogazione di più potenza. "Sarebbe come se i muscoli dell'anca, invece di attaccarsi al bacino, si attaccassero alle spalle", ha detto Sutton.
Alcuni animali, come i canguri, non hanno molle separate nel loro design biomeccanico, ma hanno sistemi muscolari più elastici, come i tendini che immagazzinano molta energia per saltare più in alto. Il galago minore, ad esempio, una superstar saltatrice tra i vertebrati, ha tendini estremamente elastici con i quali può saltare più di 2 metri di altezza e fino a 12 volte la sua lunghezza corporea. (I tendini umani immagazzinano un po' di energia e possono agire come molle, ma non sono neanche lontanamente efficaci come le versioni più elastiche di altri animali.)
cricchetto
Per almeno mezzo secolo, i ricercatori hanno analizzato le prestazioni di alcuni di questi straordinari ponticelli biologici per informare i loro progetti di ponticelli meccanici. Ma questo nuovo studio potrebbe segnare la prima volta che gli ingegneri che progettano ponticelli meccanici si sono resi conto che "non è necessario fare ciò che sta facendo la biologia", ha affermato Sheila Patek, professore di biologia alla Duke University.
Il nuovo robot ha raggiunto livelli di salto record superando un vincolo sui progetti biologici e facendo ciò che gli animali non possono. "I muscoli non possono scattare", ha detto Sutton. Anche se i muscoli trasferiscono l'energia della loro contrazione a una molla attaccata, quando si allungano di nuovo, quell'energia viene rilasciata. L'energia disponibile per guidare un salto è quindi limitata a ciò che può fornire una flessione di un muscolo.
Ma nel robot di carica, un fermo mantiene la molla allungata in posizione tra i movimenti di avviamento, quindi l'energia accumulata continua ad accumularsi. Questo processo a cricchetto moltiplica la quantità di energia immagazzinata disponibile per lanciare l'eventuale salto. Inoltre, ha detto Sutton, la sezione trasversale quadrata della molla del robot gli consente di immagazzinare il doppio dell'energia rispetto alle molle biologiche, che hanno un design più triangolare.
Perché le creature biologiche non hanno sviluppato una qualche capacità di increspare i loro muscoli o di spostarsi in altro modo più in alto, più lontano e più velocemente?
I muscoli sono evolutivamente molto antichi; non differiscono molto tra insetti e umani. "Abbiamo i muscoli dei nostri antenati senza spina dorsale bis-bis-bis-bis-bis-bis", ha detto Sutton. "Modificare le proprietà fondamentali dei bit è davvero difficile per l'evoluzione".
Se ci fosse stata una maggiore pressione evolutiva per saltare davvero in alto, "Penso che avremmo fatto evolvere i saltatori davvero in alto", ha detto Charlie Xiao, studente di dottorato e coautore con Keeley e altri del nuovo studio sui robot. Ma le rane, le cavallette e gli esseri umani devono essere costruiti non solo per saltare, ma anche per riprodursi, trovare cibo, sfuggire ai predatori e fare tutto ciò che la vita richiede.
Riccardo Essner, professore di scienze biologiche alla Southern Illinois University Edwardsville, ha spiegato come questi compromessi possono funzionare. Non ci sono molte situazioni in cui vorresti saltare in alto, ha detto. Molto spesso, quando le rane e altre piccole creature hanno bisogno di potere di salto, è perché stanno cercando di sfuggire a un predatore dietro di loro. Quindi la rana vuole posizionare rapidamente quanta più distanza possibile tra se stessa e il predatore. La rana probabilmente diminuirà il suo angolo di decollo, appiattendo la sua traiettoria per saltare più lontano piuttosto che più in alto, ma probabilmente non il più lontano possibile, perché saltare in salvo di solito comporta una serie di salti. La maggior parte delle rane piega le gambe sotto il corpo a mezz'aria in modo che nell'istante dell'atterraggio siano pronte a saltare di nuovo.
Sorprendentemente, non c'è sempre la pressione della selezione naturale per atterrare correttamente dopo un grande salto. Recentemente in Anticipi Scienza, Essner e il suo team hanno riferito che gli anfibi chiamati toadlets di zucca, alcuni dei quali sono più piccoli della punta di una matita appuntita, quasi sempre si schiantano quando saltano. Le loro piccole dimensioni sono alla radice del loro problema: come altri animali, le rane traggono il loro senso dell'equilibrio dal sistema vestibolare nell'orecchio interno. Ma poiché il loro sistema vestibolare è piccolo, è relativamente insensibile all'accelerazione angolare, lasciando le rane mal equipaggiate per adattarsi alla caduta durante un salto.
Non sono i soli ad atterrare male: anche le cavallette sono "semplicemente terribili", ha detto Sutton.
In un progetto guidato dalla studentessa laureata Chloe Goode, il gruppo di Sutton sta attualmente studiando perché le cavallette girano in modo incontrollabile durante i loro salti. Nei loro esperimenti, hanno dotato gli insetti di minuscoli cappelli a cilindro appesantiti per spostare il loro baricentro. I ricercatori hanno scoperto che questo era sufficiente per impedire alle cavallette di girare nell'aria, il che in teoria potrebbe dare alle cavallette un maggiore controllo sul loro atterraggio. Sutton e il suo team non hanno idea del perché gli insetti non si siano evoluti con un po' più di peso nella testa per quella stabilità.
Ma mentre un atterraggio di fortuna sembra pericoloso per noi in quanto creature relativamente massicce a rischio di rompersi le ossa, è meno problematico per le creature più piccole. "È un fenomeno di scala", ha detto Essner. Con l'aumento delle dimensioni, la massa corporea aumenta più rapidamente dell'area della sezione trasversale delle ossa di supporto, che determina la loro forza, ha detto. Rispetto a un elefante, un topo ha molte ossa che sostengono la sua massa minima.
Le piccole creature "semplicemente non subiscono alcun danno dalle cadute", ha detto Essner. Potrebbe non esserci stata una pressione selettiva abbastanza forte da obbligare cavallette e toadlets zucca a far evolvere la capacità di atterrare correttamente, il che li ha liberati per evolvere altre abilità più importanti per la loro sopravvivenza, ha aggiunto Essner.
Ripensare i limiti
Il robot del team Hawkes sta subendo una propria evoluzione. I ricercatori stanno lavorando con la NASA per sviluppare il loro dispositivo in un robot perfettamente funzionante in grado di raccogliere campioni su altri mondi, utilizzando salti controllati per attraversare rapidamente lunghe distanze. Sulla luna, dove non c'è atmosfera, nessuna resistenza d'aria e solo un sesto della gravità terrestre, il robot potrebbe teoricamente saltare più di 400 metri, ha detto Xiao. La loro speranza è di lanciarlo sulla luna nei prossimi cinque anni circa.
E se c'è vita su altri pianeti, potrebbe avere nuove cose da insegnarci sul salto. A gravità più basse, saltare potrebbe diventare più facile e veloce del volo, quindi gli organismi potrebbero evolvere "personaggi che saltano come Mario", ha detto Sutton.
La vita aliena potrebbe anche avere muscoli che funzionano in modo diverso, forse con le proprie soluzioni a cricchetto per l'accumulo di energia. "Forse hanno strutture biomeccaniche davvero ridicole, [tali] da poter immagazzinare energia in un modo molto più complicato", ha detto St. Pierre.
Ma anche sulla Terra, gli animali continuano a sorprendere i ricercatori. Come ha dimostrato uno studio cautelativo, la massima prestazione di salto di un animale non è sempre quella che potremmo pensare.
Ogni anno, la contea di Calaveras, in California, ospita un Giubileo della rana saltante ispirato a Il famoso racconto di Mark Twain. A queste fiere, si dice che le rane toro abbiano saltato 2 metri in orizzontale, "selvaggiamente fuori dal regno di ciò che dovrebbe essere", ha detto Henry Asley, un assistente professore presso l'Università di Akron. In precedenza era noto che le rane toro saltavano al massimo di circa 1.3 metri. Quindi circa un decennio fa, quando Astley iniziò il suo lavoro di dottorato, si recò in California per risolvere la questione.
Al giubileo, lui ei suoi colleghi noleggiarono delle rane, mangiarono della torta a imbuto e si misero al lavoro. Analizzando i dati sui salti delle rane delle squadre di gara e dei membri del pubblico in generale, hanno scoperto che i rapporti non erano un'esagerazione. Più della metà dei salti che hanno registrato erano più lontani di quelli in letteratura. Alla fine si sono resi conto (e successivamente dettagliato in quello che Sutton chiama "il più grande foglio da salto mai scritto") che almeno in parte il motivo della discrepanza era che le motivazioni delle rane erano diverse. Nell'ambientazione all'aperto della competizione della contea di Calaveras, le rane avevano paura dei "fantini rana", persone che eseguivano affondi con tutto il corpo verso le rane ad alta velocità. Ma in laboratorio, dove movimenti così drammatici non erano comuni, le rane non erano terrorizzate da nessuno; volevano semplicemente essere lasciati soli.
