Sommeren 2021, på toppen av kystklippene i Santa Barbara, California, krøp Chris Keeley, som den gang utdannet seg ved det nærliggende universitetet, for å trekke en bunt metall og gummi ut av ryggsekken. Det var en robot som han brukte flere minutter på å avvikle.
Da han var ferdig, slo han rekord på iPhone-kameraet og så roboten lansere seg høyt opp i luften, tegne en høy bue på himmelen og lande pent nær føttene hans. Keeley var lettet; mange tidligere testhopp hadde mislyktes. Det var ikke før senere den kvelden da han kom tilbake til soverommet sitt og lastet ned hoppdataene til den bærbare datamaskinen at han skjønte hvor bra det hadde fungert.
Hopperen hadde nådd en rekordhøyde på rundt 32.9 meter, da Keeley og hans samarbeidspartnere, ledet av Elliot Hawkes, en maskinteknisk forsker ved University of California, Santa Barbara, rapporterte i april in Natur. Ikke bare hadde den hoppet mer enn tre ganger høyere enn andre eksperimentelle roboter konstruert for den oppgaven, den hadde hoppet mer enn 14 ganger høyere enn noen annen skapning i dyreriket. Etter all sannsynlighet hoppet roboten deres høyere enn noe noen gang har hatt på jorden.
"Jeg tror dette er en av svært få roboter som faktisk utkonkurrerer biologi, og måten den utkonkurrerer biologi på er utrolig smart," sa Ryan St. Pierre, en assisterende professor ved avdelingen for mekanisk og romfartsteknikk ved University of Buffalo som ikke var involvert i studien.
Suksessen til roboten fremhever de fysiske begrensningene som biologiske hoppere møter i naturen. Selv om disse begrensningene hindrer mennesker i å hoppe til matbutikken som om de er på pogo-pinner og forhindrer frosker fra å falle ut av skyene, har biologien kommet opp med sine egne geniale løsninger som presser hopphøyde og lengde så langt de kan gå. , gjennom små biomekaniske justeringer skreddersydd for hvert dyrs hoppbehov.
Selv ingeniørene bak verdens største hopper er fortsatt i ærefrykt for biologiens egne design. Nå, "overalt hvor jeg ser ser jeg hoppe," sa Keeley. "Jeg kan ikke dy meg."
The Act of Jumping
Et hopp er en bevegelseshandling forårsaket av påføring av kraft til bakken uten tap av noen masse, skrev forskerne; dermed teller ikke en rakett som mister drivstoff ved oppskyting, eller en pil som forlater baugen.
Muskler er de biologiske motorene som gir energi til bevegelser. For å hoppe huker du deg ned og trekker sammen leggene og andre muskler, en prosess som konverterer kjemisk energi som er tilgjengelig i musklene til mekanisk energi. Sener, tøyelig vev som forbinder muskler til skjelettet, overfører den mekaniske energien til beinene, som bruker denne energien til å presse mot bakken for å drive kroppen oppover.
Hopping fungerer på overraskende liknende måter på tvers av størrelser og skalaer i dyreriket - men noen biomekaniske designegenskaper lar visse skapninger presse de biologiske grensene. Kraften til et hopp tilsvarer hvor mye energi som er tilgjengelig for hoppmekanismen per tidsenhet under push-off. Jo mer energi musklene genererer og jo raskere du kommer opp fra bakken, jo kraftigere blir hoppet.
Men etter hvert som dyrene blir mindre, blir bena kortere og er i kontakt med bakken i kortere tid under utskytingen. De trenger derfor å kunne frigjøre energien til et hopp med eksplosiv plutselighet. For disse mindre skapningene kom naturen opp med en kreativ løsning: å lagre mesteparten av hoppenergien i svært elastisk vev som fungerer som biologiske kilder, forklart Greg Sutton, professor og stipendiat ved University of Lincoln i England.
Når du klikker tilbake til sin opprinnelige lengde, kan fjærer frigjøre den lagrede energien mye raskere enn muskler kan, noe som øker kraften som er tilgjengelig for hoppet. Som et resultat er noen av de aller beste hopperne i den biologiske verden de som bruker fjærer.
For eksempel lagrer en gresshoppe energien til bakbensmusklene i fjærer som ligger på leddene. Disse fjærene, som ser ut som limabønner, gjør at gresshoppen kan legge 20 til 40 ganger mer kraft per masseenhet i spranget enn en menneskelig muskel kan. Selv om gresshoppens totale kraft er langt mindre enn et hoppende menneske genererer, er krafttettheten, eller kraften per masseenhet, mye høyere. Som et resultat kan gresshoppen hoppe til en høyde på omtrent 0.5 meter - det samme i gjennomsnitt som mennesker kan, men dusinvis av ganger gresshoppens kroppslengde.
Kraftøkningen som gresshopper får fra fjærene blekner sammenlignet med hva noen andre små hoppere kan mønstre. Lopper kan oppnå 80 til 100 ganger krafttettheten til menneskelige muskler, mens insektene kalt froghoppere kan generere 600 til 700 ganger så mye. Froskehoppernes hemmelighet er at fjæren for lagring av hoppenergi er i brystkassen deres; den ekstra avstanden for muskelsammentrekning muliggjør levering av mer kraft. "Det ville være som om hoftemusklene, i stedet for å feste seg til bekkenet, festet til skuldrene," sa Sutton.
Noen dyr, som kenguruer, har ikke separate fjærer i sin biomekaniske utforming, men de har mer elastiske muskelsystemer, for eksempel sener som lagrer mye energi for å hoppe høyere. Den mindre galagoen, for eksempel - en superstjernehopper blant virveldyr - har ekstremt tøyelige sener som den kan hoppe mer enn 2 meter høye med, og opptil 12 ganger kroppslengden. (Menneskelige sener lagrer litt energi og kan fungere som fjærer, men de er ikke like effektive som de mer fjærende versjonene hos andre dyr.)
Ratcheting
I minst et halvt århundre har forskere analysert ytelsen til noen av disse fantastiske biologiske hopperne for å informere om designene deres av mekaniske hoppere. Men denne nye studien kan markere første gang ingeniører som designer mekaniske hoppere har innsett at "du trenger ikke å gjøre det biologi gjør," sa Sheila Patek, professor i biologi ved Duke University.
Den nye roboten nådde rekordhøye hopp ved å overvinne en begrensning på biologisk design og gjøre det dyr ikke kan. "Muskler kan ikke skralle," sa Sutton. Selv om musklene overfører energien fra sammentrekningen til en festet fjær, frigjøres den energien når de forlenges igjen. Energien som er tilgjengelig for å drive et hopp, er derfor begrenset til hva en muskel kan gi.
Men i opprullingsroboten holder en lås den strakte fjæren på plass mellom sveivebevegelsene, slik at lagret energi fortsetter å bygge seg opp. Denne ratcheting-prosessen multipliserer mengden lagret energi som er tilgjengelig for å starte det eventuelle hoppet. Videre, sa Sutton, gjør det kvadratiske tverrsnittet av robotens fjær den i stand til å lagre dobbelt så mye energi som biologiske fjærer, som har en mer trekantet design.
Hvorfor utviklet ikke biologiske skapninger en eller annen evne til å spenne musklene eller på annen måte bevege seg høyere, lenger og raskere?
Musklene er evolusjonsmessig svært gamle; de skiller seg ikke så mye mellom insekter og mennesker. "Vi fikk muskler fra våre stor-flott-flott-flott-flott-flott-flott ryggradsløse forfedre," sa Sutton. "Å endre grunnleggende egenskaper til biter er veldig vanskelig for evolusjonen."
Hadde det vært mer evolusjonært press for å hoppe veldig høyt, "jeg antar at vi ville ha utviklet virkelige høydehoppere," sa Charlie Xiao, en doktorgradsstudent og medforfatter sammen med Keeley og andre på den nye robotstudien. Men frosker, gresshopper og mennesker må bygges ikke bare for å hoppe, men for å formere seg, finne mat, unnslippe rovdyr og gjøre alt annet som livet krever.
Richard Essner, en professor i biologiske vitenskaper ved Southern Illinois University Edwardsville, forklarte hvordan disse avveiningene kan fungere. Det er ikke mange situasjoner der du ønsker å hoppe rett opp, sa han. Oftest, når frosker og andre små skapninger trenger hoppekraft, er det fordi de prøver å unnslippe et rovdyr bak seg. Da ønsker frosken raskt å plassere så stor avstand mellom seg selv og rovdyret som mulig. Frosken vil sannsynligvis redusere startvinkelen, flate ut banen til å hoppe lenger enn høyere - men sannsynligvis ikke lengst den kan, fordi å hoppe i sikkerhet innebærer vanligvis en rekke hopp. De fleste frosker bretter bena under kroppen i luften slik at de er klare til å hoppe igjen når de lander.
Overraskende nok er det ikke alltid naturlig seleksjonspress for å lande skikkelig etter et stort hopp. Nylig i Vitenskap Fremskritt, rapporterte Essner og teamet hans at amfibier kalt gresskarpadder, hvorav noen er mindre enn spissen av en spisset blyant, nesten alltid krasjlander når de hopper. Den lille størrelsen deres er roten til problemet: Som andre dyr får froskene balansefølelsen fra det vestibulære systemet i det indre øret. Men fordi deres vestibulære system er lite, er det relativt ufølsomt for vinkelakselerasjon, noe som gjør froskene dårlig rustet til å tilpasse seg tumbling under et hopp.
De er ikke alene om å lande dårlig: Gresshopper er "bare forferdelige på det" også, sa Sutton.
I et prosjekt ledet av doktorgradsstudent Chloe Goode, studerer Suttons gruppe for tiden hvorfor gresshopper spinner ukontrollert under hoppene sine. I sine eksperimenter utstyrte de insektene med ørsmå vektede topphatter for å flytte tyngdepunktet. Forskerne fant at dette var nok til å stoppe gresshoppene fra å snurre i luften, noe som i teorien kan gi gresshoppene mer kontroll over landingen. Sutton og teamet hans har ingen anelse om hvorfor insektene ikke utviklet seg med litt mer vekt i hodet for den stabiliteten.
Men mens en krasjlanding høres farlig ut for oss som relativt massive skapninger med risiko for å knekke bein, er det mindre problematisk for mindre skapninger. "Det er et skaleringsfenomen," sa Essner. Med økende størrelse øker kroppsmassen raskere enn tverrsnittsarealet til støttebenene, noe som bestemmer styrken deres, sa han. Sammenlignet med en elefant har en mus mye bein som støtter opp om dens minimale masse.
Små skapninger "opplever bare ikke skade fra fall," sa Essner. Det kan ikke ha vært sterkt nok utvalgspress til å tvinge gresshopper og gresskarpadder til å utvikle evnen til å lande riktig, noe som frigjorde dem til å utvikle andre evner som er viktigere for deres overlevelse, la Essner til.
Tenke grensene på nytt
Hawkes-teamroboten gjennomgår en egen utvikling. Forskerne jobber sammen med NASA for å utvikle enheten deres til en fullt fungerende robot som kan samle prøver på andre verdener, ved å bruke kontrollerte hopp for raskt å krysse lange avstander. På månen, hvor det ikke er atmosfære, ingen luftmotstand og bare en sjettedel av jordens tyngdekraft, kan roboten teoretisk hoppe mer enn 400 meter, sa Xiao. Deres håp er å sende den til månen i løpet av de neste fem årene eller så.
Og hvis det er liv på andre planeter, kan det ha nye ting å lære oss om hopping. Ved lavere tyngdekraft kan hopping bli enklere og raskere enn å fly, så organismer kan utvikle "Mario-lignende hoppekarakterer," sa Sutton.
Fremmede liv kan også ha muskler som fungerer annerledes, kanskje med sine egne skrallelignende løsninger for energilagring. "Kanskje de har virkelig latterlige biomekaniske strukturer, [slik] at de kan lagre energi på en mye mer komplisert måte," sa St. Pierre.
Men selv på jorden fortsetter dyr å overraske forskere. Som en advarende studie viste, er den maksimale hoppeytelsen til et dyr ikke alltid det vi kanskje tror.
Hvert år arrangerer Calaveras County, California, et Jumping Frog Jubilee inspirert av Mark Twains berømte novelle. På disse messene rapporteres det at oksefrosker har hoppet 2 meter horisontalt, "vilt utenfor riket av hva det burde være," sa Henry Astley, en assisterende professor ved University of Akron. Bullfrosker hadde tidligere vært kjent for å hoppe på det meste rundt 1.3 meter. Så for omtrent et tiår siden, da Astley begynte på doktorgradsarbeidet sitt, reiste han til California for å løse problemet.
På jubileet leide han og kollegene noen frosker, spiste traktkake og begynte å jobbe. Ved å analysere froskehoppdata fra konkurranselag og medlemmer av allmennheten, oppdaget de at rapportene ikke var en overdrivelse. Mer enn halvparten av hoppene de registrerte var lengre enn de i litteraturen. De innså til slutt (og senere detaljert i det Sutton kaller "det største hoppepapiret som noen gang er skrevet") at i det minste en del av årsaken til avviket var at motivasjonene til froskene var forskjellige. I utendørsmiljøet til Calaveras County-konkurransen var froskene redde for "froskejockeyer", folk som utførte utfall av hele kroppen mot froskene i høye hastigheter. Men i laboratoriet, hvor slike dramatiske bevegelser ikke var vanlig, var ikke froskene livredde for noen; de ville bare være i fred.
