בקיץ 2021, על ראש צוקי החוף של סנטה ברברה, קליפורניה, כריס קילי, אז סטודנט לתואר ראשון באוניברסיטה הסמוכה, כופף כדי לשלוף צרור מתכת וגומי מתרמילו. זה היה רובוט, שהוא הקדיש כמה דקות לסילוקו.
כשסיים, הוא פגע במצלמת האייפון שלו וראה את הרובוט משגר את עצמו גבוה באוויר, מצייר קשת גבוהה בשמים ונוחת בצורה מסודרת ליד רגליו. קילי חש הקלה; קפיצות מבחן קודמות רבות נכשלו. רק מאוחר יותר באותו לילה, כשחזר לחדר השינה שלו והוריד את נתוני הקפיצה למחשב הנייד שלו, הוא הבין עד כמה זה עבד.
הקופץ הגיע לגובה שיא של כ-32.9 מטר, כשקילי ושותפי הפעולה שלו, בראשות אליוט הוקס, חוקר הנדסת מכונות באוניברסיטת קליפורניה, סנטה ברברה, דיווח בחודש אפריל in טבע. לא רק שהוא קפץ יותר מפי שלושה מרובוטים ניסויים אחרים שנבנו עבור המשימה הזו, הוא קפץ יותר מפי 14 יותר מכל יצור אחר בממלכת החיות. ככל הנראה, הרובוט שלהם קפץ גבוה יותר מכל דבר שהיה אי פעם על כדור הארץ.
"אני חושב שזה אחד הרובוטים הבודדים שבאמת עולים על הביולוגיה, והדרך שבה הוא מתעלה על הביולוגיה היא חכמה להפליא", אמר ריאן סנט פייר, עוזר פרופסור במחלקה להנדסת מכונות וחלל באוניברסיטת באפלו שלא היה מעורב במחקר.
הצלחת הרובוט מדגישה את המגבלות הפיזיות שעומדות בפני קופצים ביולוגיים בטבע. למרות שהמגבלות הללו מונעות מבני אדם לקפוץ למכולת כאילו הם על מקלות פוגו ומונעות מצפרדעים ליפול מהעננים, הביולוגיה המציאה פתרונות עוקפים גאוניים משלה שדוחפים את גובה הקפיצה והאורך עד כמה שהם יכולים להגיע. , באמצעות שינויים ביומכניים קטנים המותאמים לצרכי הקפיצה של כל חיה.
אפילו המהנדסים שמאחורי הקופץ הגדול בעולם עדיין מתפעלים מהעיצובים של הביולוגיה עצמה. עכשיו, "בכל מקום שאני מסתכל אני רואה קופץ," אמר קילי. "אני לא יכול להתאפק."
מעשה הקפיצה
קפיצה היא פעולת תנועה הנגרמת מהפעלת כוח על הקרקע ללא אובדן מסה כלשהי, כתבו החוקרים; לכן רקטה שמאבדת דלק עם השיגור, או חץ שעוזב את הקשת שלה, לא נחשבת.
שרירים הם המנועים הביולוגיים המספקים את האנרגיה לתנועות. כדי לקפוץ, אתה מתכווץ, מכווץ את השוקיים ושרירים אחרים, תהליך הממיר אנרגיה כימית זמינה בשרירים ל אנרגיה מכנית. גידים, רקמות נמתחות המחברים את השרירים לשלד, מעבירים את האנרגיה המכנית אל העצמות, אשר משתמשות באנרגיה זו כדי לדחוף את הקרקע כדי להניע את הגוף כלפי מעלה.
קפיצה פועלת בדרכים דומות באופן מפתיע על פני גדלים וקנה מידה בממלכת החיות - אבל כמה מוזרויות עיצוב ביומכניות מאפשרות ליצורים מסוימים לדחוף את הגבולות הביולוגיים. כוחה של קפיצה שווה ערך לכמות האנרגיה הזמינה למנגנון הקפיצה ליחידת זמן במהלך הדחיפה. ככל שהשרירים שלך מייצרים יותר אנרגיה וככל שתרד מהר יותר מהקרקע, הקפיצה תהיה חזקה יותר.
אבל ככל שבעלי חיים מצטמצמים, רגליהם מתקצרות ונמצאות במגע עם הקרקע למשך פחות זמן במהלך השיגור. לכן הם צריכים להיות מסוגלים לשחרר את האנרגיה לקפיצה בפתאומיות נפיצה. עבור היצורים הקטנים האלה, הטבע המציא פתרון יצירתי: אחסון רוב אנרגיית הקפיצה ברקמות אלסטיות מאוד עובדים כמעיינות ביולוגיים, הסביר גרג סאטון, פרופסור ועמית מחקר באוניברסיטת לינקולן באנגליה.
כאשר נצמדים בחזרה לאורכם המקורי, קפיצים יכולים לשחרר את האנרגיה המאוחסנת הזו הרבה יותר מהר ממה ששרירים יכולים, מה שמגביר את הכוח הזמין לקפיצה. כתוצאה מכך, כמה מהקופצים הטובים ביותר בעולם הביולוגי הם כאלה שמשתמשים בקפיצים.
לדוגמה, חגב אוגר את האנרגיה של שרירי רגליו האחוריות בקפיצים הממוקמים על המפרקים. המעיינות האלה, שנראים כמו שעועית לימה, מאפשרים לחגב להכניס לזינוק שלו פי 20 עד 40 יותר כוח ליחידת מסה מאשר שריר אנושי יכול. למרות שהכוח הכולל של החגב קטן בהרבה ממה שאדם קופץ מייצר, צפיפות הכוח שלו, או הספק ליחידת מסה, גבוהה בהרבה. כתוצאה מכך, החגב יכול לקפוץ לגובה של כ-0.5 מטרים - זהה בממוצע לבני אדם, אבל עשרות מונים מאורך גופו של החגב.
חיזוק הכוח שמקבלים החגבים מהמעיינות שלהם מחוויר בהשוואה למה שכמה קופצים זעירים אחרים יכולים לגייס. פרעושים יכולים להשיג פי 80 עד 100 צפיפות הכוח של שרירי האדם, בעוד שהחרקים הנקראים צפרדעים יכולים לייצר פי 600 עד 700. הסוד של צפרדעים הוא שהקפיץ שלהם לאגירת אנרגיית קפיצה נמצא בבית החזה שלהם; המרחק הנוסף להתכווצות השרירים מאפשר אספקת כוח רב יותר. "זה יהיה כאילו שרירי הירך שלך, במקום להיצמד לאגן שלך, מחוברים לכתפיים שלך," אמר סאטון.
לבעלי חיים מסוימים, כמו קנגורו, אין קפיצים נפרדים בעיצוב הביומכני שלהם, אבל יש להם מערכות שרירים אלסטיות יותר, כמו גידים האוגרים אנרגיה רבה לקפיצה גבוה יותר. לגלגו הפחות, למשל - קופץ כוכבי על בקרב בעלי חוליות - יש גידים נמתחים ביותר שבעזרתם הוא יכול לזנק לגובה של יותר מ-2 מטרים, ועד פי 12 מאורך גופו. (גידים אנושיים אוגרים מעט אנרגיה ויכולים לפעול כמו קפיצים, אך הם אינם יעילים במידה מרחוק כמו הגרסאות הקפיציות יותר אצל בעלי חיים אחרים.)
מחגר
במשך חצי מאה לפחות, חוקרים ניתחו את הביצועים של כמה מהקופצים הביולוגיים המדהימים האלה כדי להודיע לעיצוביהם של מגשרים מכניים. אבל המחקר החדש הזה עשוי לציין את הפעם הראשונה שבה מהנדסים שמתכננים מגשרים מכניים הבינו ש"אתה לא צריך לעשות מה שהביולוגיה עושה", אמר שילה פאטק, פרופסור לביולוגיה באוניברסיטת דיוק.
הרובוט החדש הגיע לגבהי קפיצה שיא על ידי התגברות על מגבלה על עיצובים ביולוגיים ועשה מה שבעלי חיים לא יכולים. "השרירים לא יכולים לחבק," אמר סאטון. גם אם השרירים מעבירים את אנרגיית ההתכווצות שלהם לקפיץ מחובר, כאשר הם מתארכים שוב, האנרגיה הזו משתחררת. לכן האנרגיה הזמינה להנעת קפיצה מוגבלת למה שכיפוף אחד של שריר יכול לספק.
אבל ברובוט המתפתל, תפס מחזיק את הקפיץ המתוח במקומו בין תנועות סיבוב, כך שאנרגיה מאוחסנת ממשיכה להצטבר. תהליך דחיקה זה מכפיל את כמות האנרגיה האצורה הזמינה להפעלת הקפיצה הסופית. יתר על כן, אמר סאטון, חתך הרוחב המרובע של קפיץ הרובוט מאפשר לו לאגור פי שניים אנרגיה ממעיינות ביולוגיים, בעלי עיצוב משולש יותר.
מדוע יצורים ביולוגיים לא פיתחו יכולת כלשהי לחבק את השרירים שלהם או להזיז את עצמם בדרך אחרת גבוה יותר, רחוק יותר ומהר יותר?
השרירים מבוגרים מאוד מבחינה אבולוציונית; הם לא כל כך שונים בין חרקים לבני אדם. "קיבלנו שרירים מאבותינו חסרי עמוד השדרה הגדולים-הגדולים-הגדולים-הגדולים-הגדולים שלנו," אמר סאטון. "שינוי המאפיינים הבסיסיים של ביטים הוא ממש קשה לאבולוציה."
אילו היה יותר לחץ אבולוציוני לקפוץ ממש גבוה, "אני מניח שהיינו מפתחים קופצים ממש לגובה", אמרו צ'רלי שיאו, דוקטורנט ומחבר שותף עם קילי ואחרים על מחקר הרובוטים החדש. אבל צפרדעים, חגבים ובני אדם צריכים להיבנות לא רק בשביל לקפוץ, אלא בשביל להתרבות, למצוא מזון, לברוח מטורפים ולעשות כל דבר אחר שהחיים דורשים.
ריצ'רד אסנר, פרופסור למדעי ביולוגיה באוניברסיטת דרום אילינוי אדוארדסוויל, הסביר כיצד הפשרות הללו יכולות לעבוד. אין הרבה מצבים שבהם תרצה לקפוץ ישר למעלה, הוא אמר. לרוב, כאשר צפרדעים ויצורים קטנים אחרים זקוקים לכוח קפיצה, זה בגלל שהם מנסים לברוח מטורף מאחוריהם. ואז הצפרדע רוצה למקם במהירות כמה שיותר מרחק בינה לבין הטורף. סביר להניח שהצפרדע תקטין את זווית ההמראה שלה, ותשטח את מסלולה כדי לקפוץ רחוק יותר מאשר גבוה יותר - אבל כנראה לא הכי רחוק שהיא יכולה, מכיוון שקפיצה למקום מבטחים כרוכה בדרך כלל בסדרה של דילוגים. רוב הצפרדעים מקפלות את רגליהן מתחת לגופן באוויר כך שברגע הנחיתה הן מוכנות לקפוץ שוב.
באופן מפתיע, לא תמיד יש לחץ של ברירה טבעית לנחות כמו שצריך אחרי קפיצה גדולה. לאחרונה התקדמות מדע, אסנר וצוותו דיווחו שדו-חיים הנקראים דלעת, חלקם קטנים מקצה עיפרון מחודד, כמעט תמיד מתרסקים כשהם קופצים. גודלם הזעיר הוא שורש הבעיה שלהם: כמו חיות אחרות, הצפרדעים מקבלות את תחושת האיזון שלהן מהמערכת הוסטיבולרית באוזן הפנימית שלהן. אבל בגלל שהמערכת הווסטיבולרית שלהם קטנה, היא לא רגישה יחסית לתאוצה זוויתית, מה שמותיר את הצפרדעים לא מצוידות להסתגל לתנודה במהלך קפיצה.
הם לא לבד בנחיתה גרועה: גם חגבים "פשוט נוראים בזה", אמר סאטון.
בפרויקט בראשות הסטודנטית לתואר שני קלואי גוד, הקבוצה של סאטון בוחנת כעת מדוע חגבים מסתובבים ללא שליטה במהלך הקפיצות שלהם. בניסויים שלהם, הם ציידו את החרקים בכובעים זעירים משוקללים כדי לשנות את מרכז הכובד שלהם. החוקרים מצאו שזה מספיק כדי למנוע מהחרגולים להסתובב באוויר, מה שעשוי לתת לחגבים יותר שליטה על נחיתתם. לסאטון ולצוות שלו אין מושג למה החרקים לא התפתחו עם קצת יותר משקל בראש בשביל היציבות הזו.
אבל בעוד נחיתת התרסקות נשמעת לנו מסוכנת כיצורים מסיביים יחסית בסיכון לשבור עצמות, היא פחות בעייתית ליצורים קטנים יותר. "זו תופעת קנה מידה," אמר אסנר. עם הגדלת הגודל, מסת הגוף עולה מהר יותר משטח החתך של העצמות התומכות, מה שקובע את חוזקן, אמר. בהשוואה לפיל, לעכבר יש הרבה עצם המגבשת את המסה המינימלית שלו.
יצורים קטנים "פשוט לא חווים שום נזק מנפילות", אמר אסנר. יתכן שלא היה לחץ בחירה חזק מספיק כדי לחייב את החגבים וקרפדות הדלעת לפתח את היכולת לנחות כראוי, מה ששחרר אותם לפתח יכולות אחרות החשובות יותר להישרדותן, הוסיף אסנר.
חשיבה מחדש על הגבולות
רובוט צוות הוקס עובר אבולוציה משלו. החוקרים עובדים עם נאס"א כדי לפתח את המכשיר שלהם לרובוט מתפקד במלואו שיכול לאסוף דגימות בעולמות אחרים, באמצעות קפיצות מבוקרות כדי לעבור במהירות למרחקים ארוכים. על הירח, שבו אין אטמוספירה, אין גרר אוויר ורק שישית מכוח המשיכה של כדור הארץ, הרובוט יכול תיאורטית לקפוץ יותר מ-400 מטרים, אמר שיאו. התקווה שלהם היא לשגר אותו לירח בחמש השנים הקרובות בערך.
ואם יש חיים על כוכבי לכת אחרים, אולי יש להם דברים חדשים שילמדו אותנו על קפיצה. בכוח משיכה נמוך יותר, קפיצה יכולה להיות קלה ומהירה יותר מאשר טיסה, כך שאורגניזמים עשויים להתפתח "דמויות קפיצות דמויות מריו", אמר סאטון.
לחיי חייזרים עשויים להיות גם שרירים שעובדים אחרת, אולי עם פתרונות דמויי מחגר משלהם לאגירת אנרגיה. "אולי יש להם מבנים ביו-מכניים ממש מגוחכים, [כאלה] שהם יכולים לאגור אנרגיה בצורה הרבה יותר מסובכת", אמר סנט פייר.
אבל אפילו בכדור הארץ, בעלי חיים ממשיכים להפתיע את החוקרים. כפי שהראה מחקר זהיר אחד, ביצועי הקפיצה המקסימליים של בעל חיים הם לא תמיד מה שאנו עשויים לחשוב.
מדי שנה, מחוז קלברס, קליפורניה, מארח יובל צפרדע קופץ בהשראת הסיפור הקצר המפורסם של מארק טווין. בירידים הללו, מדווחים שצפרדעים קפצו 2 מטרים אופקית, "באופן פראי מחוץ לתחום של מה שצריך להיות", אמרו. הנרי אסטלי, עוזר פרופסור באוניברסיטת אקרון. בעבר היה ידוע שצפרדעים קופצות לכל היותר כ-1.3 מטרים. אז לפני כעשור, כשאסטלי החל לעבודת הדוקטורט שלו, הוא נסע לקליפורניה כדי להסדיר את הנושא.
ביובל, הוא וחבריו לעבודה שכרו כמה צפרדעים, אכלו עוגת משפך והתחלנו לעבוד. על ידי ניתוח נתוני קפיצת צפרדע מצוותי התחרות וחברי הציבור הרחב, הם גילו שהדיווחים אינם מוגזמים. יותר ממחצית הקפיצות שרשמו היו רחוקות יותר מאלו שבספרות. בסופו של דבר הם הבינו (ו בהמשך מפורט במה שסאטון מכנה "הנייר הקפיצי הגדול ביותר שנכתב אי פעם") שלפחות חלק מהסיבה לאי ההתאמה הייתה שהמניעים של הצפרדעים היו שונים. בסביבה החיצונית של תחרות מחוז Calaveras, הצפרדעים פחדו מ"ג'וקים של צפרדעים", אנשים שביצעו זריקות של כל הגוף לעבר הצפרדעים במהירויות גבוהות. אבל במעבדה, שבה תנועות דרמטיות כאלה לא היו שכיחות, הצפרדעים לא נבהלו מאף אחד; הם רק רצו להישאר לבד.
