Latem 2021 roku, na szczycie nadmorskich klifów Santa Barbara w Kalifornii, Chris Keeley, wówczas student na pobliskim uniwersytecie, przykucnął, by wyciągnąć z plecaka wiązkę metalu i gumy. Był to robot, którego nakręcanie spędził kilka minut.
Kiedy skończył, nagrał w aparacie swojego iPhone'a i obserwował, jak robot wzbija się wysoko w powietrze, rysuje wysoki łuk na niebie i ląduje równo u jego stóp. Keeley poczuł ulgę; wiele poprzednich skoków testowych zakończyło się niepowodzeniem. Dopiero później tej nocy, kiedy wrócił do swojej sypialni i pobrał dane skoku do swojego laptopa, zdał sobie sprawę, jak dobrze to działało.
Skoczek osiągnął rekordową wysokość około 32.9 metra, gdy Keeley i jego współpracownicy, prowadzeni przez Elliota Hawkesa, badacz inżynierii mechanicznej na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Barbara, zgłoszone w kwietniu in Natura. Nie tylko skoczył ponad trzy razy wyżej niż inne eksperymentalne roboty skonstruowane do tego zadania, ale skoczył ponad 14 razy wyżej niż jakakolwiek inna istota w królestwie zwierząt. Najprawdopodobniej ich robot skoczył wyżej niż cokolwiek innego na Ziemi.
„Myślę, że jest to jeden z niewielu robotów, które faktycznie przewyższają biologię, a sposób, w jaki przewyższa biologię, jest niesamowicie sprytny” – powiedział Ryan St Pierre, adiunkt na wydziale inżynierii mechanicznej i lotniczej na Uniwersytecie w Buffalo, który nie był zaangażowany w badania.
Sukces robota podkreśla fizyczne ograniczenia, z jakimi borykają się biologiczni skoczkowie na wolności. Chociaż te ograniczenia uniemożliwiają ludziom wskakiwanie do sklepu spożywczego jak na kijach pogo i zapobiegają wypadaniu żab z chmur, biologia wymyśliła własne, pomysłowe obejścia, które popychają wysokość i długość skoku tak daleko, jak to możliwe , poprzez małe poprawki biomechaniczne dostosowane do potrzeb skokowych każdego zwierzęcia.
Nawet inżynierowie stojący za największym skoczkiem świata wciąż zachwycają się własnymi projektami biologii. Teraz „wszędzie, gdzie nie spojrzę, widzę, jak skacze” – powiedział Keeley. „Nie mogę się powstrzymać”.
Akt skoków
Skok to akt ruchu spowodowany przyłożeniem siły do podłoża bez utraty masy - napisali naukowcy; tak więc rakieta, która traci paliwo podczas startu, lub strzała, która opuszcza łuk, nie liczy się.
Mięśnie to biologiczne silniki, które dostarczają energii do ruchów. Aby skoczyć, kucasz, napinając łydki i inne mięśnie, w procesie, który zamienia energię chemiczną dostępną w mięśniach na energia mechaniczna. Ścięgna, rozciągliwe tkanki, które łączą mięśnie ze szkieletem, przekazują tę energię mechaniczną do kości, które wykorzystują tę energię do odpychania się od podłoża i napędzania ciała w górę.
Skakanie działa w zaskakująco podobny sposób w różnych rozmiarach i skalach w królestwie zwierząt – ale niektóre dziwactwa w projektowaniu biomechanicznym pozwalają niektórym stworzeniom przekraczać granice biologiczne. Moc skoku jest równoważna ilości energii dostępnej dla mechanizmu skoku na jednostkę czasu podczas odpychania. Im więcej energii wygenerują twoje mięśnie i im szybciej oderwiesz się od ziemi, tym mocniejszy będzie skok.
Jednak gdy zwierzęta stają się mniejsze, ich nogi stają się krótsze i podczas startu mają kontakt z ziemią przez krótszy czas. Dlatego muszą być w stanie uwolnić energię do skoku z wybuchową gwałtownością. Dla tych mniejszych stworzeń natura wymyśliła kreatywne rozwiązanie: przechowywanie większości energii skoku w wysoce elastycznych tkankach, które działają jak źródła biologiczne, wyjaśnione Grega Suttona, profesor i pracownik naukowy na University of Lincoln w Anglii.
Po powrocie do pierwotnej długości sprężyny mogą uwolnić zmagazynowaną energię znacznie szybciej niż mięśnie, co zwiększa moc dostępną do skoku. W rezultacie niektórzy z najlepszych skoczków w świecie biologicznym to ci, którzy używają sprężyn.
Na przykład konik polny przechowuje energię mięśni tylnych nóg w sprężynach znajdujących się na stawach. Te sprężyny, które wyglądają jak fasola lima, umożliwiają konikowi polnemu włożenie 20 do 40 razy większej mocy na jednostkę masy niż ludzki mięsień. Chociaż całkowita moc konika polnego jest znacznie mniejsza niż skaczącego człowieka, jego gęstość mocy lub moc na jednostkę masy jest znacznie wyższa. W rezultacie konik polny może skoczyć na wysokość około 0.5 metra — tyle samo, co ludzie, ale dziesiątki razy długość ciała konika polnego.
Zwiększenie mocy, które koniki polne uzyskują ze swoich sprężyn, blednie w porównaniu z tym, co mogą zdobyć inni mali skoczkowie. Pchły mogą osiągnąć 80 do 100 razy większą gęstość mocy niż ludzkie mięśnie, podczas gdy owady zwane froghoppers mogą generować 600 do 700 razy więcej. Sekretem froghopperów jest to, że ich źródło do przechowywania energii skoku znajduje się w ich klatce piersiowej; dodatkowa odległość do skurczu mięśni umożliwia dostarczenie większej mocy. „To byłoby tak, jakby mięśnie bioder, zamiast przyczepiać się do miednicy, były przyczepione do ramion” — powiedział Sutton.
Niektóre zwierzęta, takie jak kangury, nie mają oddzielnych sprężyn w swojej konstrukcji biomechanicznej, ale mają bardziej elastyczne układy mięśniowe, takie jak ścięgna, które przechowują dużo energii do wyższych skoków. Na przykład mniejsze galago — skoczek supergwiazdy wśród kręgowców — ma wyjątkowo rozciągliwe ścięgna, dzięki którym może skakać na wysokość ponad 2 metrów i nawet 12-krotność długości ciała. (Ludzkie ścięgna przechowują trochę energii i mogą działać jak sprężyny, ale nie są tak skuteczne, jak wersje sprężyste u innych zwierząt.)
Zapadkowy
Przez co najmniej pół wieku badacze analizowali osiągi niektórych z tych niesamowitych skoczków biologicznych, aby opracować swoje projekty skoczków mechanicznych. Ale to nowe badanie może oznaczać pierwszy raz, kiedy inżynierowie projektujący zworki mechaniczne zdali sobie sprawę, że „nie musisz robić tego, co robi biologia”, powiedział Sheila Patek, profesor biologii na Duke University.
Nowy robot osiągnął rekordowe wysokości skoków, pokonując ograniczenia dotyczące konstrukcji biologicznych i robiąc to, czego nie potrafią zwierzęta. „Mięśnie nie mogą drgać”, powiedział Sutton. Nawet jeśli mięśnie przekazują energię skurczu do dołączonej sprężyny, kiedy znów się wydłużają, energia ta zostaje uwolniona. Energia dostępna do wykonania skoku jest zatem ograniczona do tego, co może zapewnić jedno naprężenie mięśnia.
Jednak w nakręcanym robocie zatrzask utrzymuje naciągniętą sprężynę w odpowiedniej pozycji między ruchami korbowymi, dzięki czemu zmagazynowana energia gromadzi się. Ten proces zapadkowy zwielokrotnia ilość zmagazynowanej energii dostępnej do rozpoczęcia ewentualnego skoku. Co więcej, powiedział Sutton, kwadratowy przekrój sprężyny robota umożliwia mu magazynowanie dwa razy więcej energii niż sprężyny biologiczne, które mają bardziej trójkątny kształt.
Dlaczego istoty biologiczne nie rozwinęły zdolności do napinania mięśni lub poruszania się wyżej, dalej i szybciej?
Mięśnie ewolucyjnie są bardzo stare; nie różnią się tak bardzo między owadami a ludźmi. „Mamy mięśnie od naszych pra-wielkich-wielkich-wielkich-wielkich-wielkich przodków bez kręgosłupa” – powiedział Sutton. „Zmiana podstawowych właściwości bitów jest naprawdę trudna dla ewolucji”.
Gdyby istniała większa ewolucyjna presja, by skakać naprawdę wysoko, „Myślę, że wyewoluowalibyśmy naprawdę skoczków wzwyż”, powiedział Charliego Xiao, doktorantka i współautorka wraz z Keeley i innymi na temat nowego badania nad robotem. Ale żaby, koniki polne i ludzi trzeba budować nie tylko do skakania, ale także do rozmnażania, znajdowania pożywienia, ucieczki przed drapieżnikami i robienia wszystkiego, czego wymaga życie.
Richarda Essnera, profesor nauk biologicznych na Southern Illinois University Edwardsville, wyjaśnił, jak te kompromisy mogą działać. Nie ma wielu sytuacji, w których chciałbyś skoczyć prosto do góry, powiedział. Najczęściej, gdy żaby i inne małe stworzenia potrzebują siły do skoku, dzieje się tak dlatego, że próbują uciec przed drapieżnikiem za nimi. Wtedy żaba chce szybko ustawić jak największą odległość między sobą a drapieżnikiem. Żaba prawdopodobnie zmniejszy kąt startu, spłaszczając trajektorię, aby skoczyć dalej niż wyżej – ale prawdopodobnie nie najdalej, jak może, ponieważ skakanie w bezpieczne miejsce zwykle wiąże się z serią podskoków. Większość żab składa nogi pod tułowiem w powietrzu, tak że po wylądowaniu są gotowe do ponownego skoku.
Co zaskakujące, po dużym skoku nie zawsze występuje presja doboru naturalnego, aby prawidłowo wylądować. Niedawno Postępy nauki, Essner i jego zespół poinformowali, że płazy zwane ropuchami dyniowymi, z których niektóre są mniejsze niż czubek zaostrzonego ołówka, prawie zawsze lądują awaryjnie podczas skoku. Ich niewielki rozmiar leży u podstaw ich problemu: podobnie jak inne zwierzęta, żaby czerpią poczucie równowagi z układu przedsionkowego w uchu wewnętrznym. Ale ponieważ ich układ przedsionkowy jest mały, jest stosunkowo niewrażliwy na przyspieszenie kątowe, przez co żaby nie są odpowiednio przygotowane do przewracania się podczas skoku.
Nie są jedynymi, którzy źle lądują: Grasshoppers też są w tym „po prostu straszni”, powiedział Sutton.
W ramach projektu prowadzonego przez absolwentkę Chloe Goode, grupa Suttona bada obecnie, dlaczego koniki polne wirują w niekontrolowany sposób podczas skoków. W swoich eksperymentach wyposażyli owady w maleńkie obciążone cylindry, aby przesunąć ich środek ciężkości. Naukowcy odkryli, że to wystarczyło, aby powstrzymać koniki polne przed wirowaniem w powietrzu, co teoretycznie może dać im większą kontrolę nad lądowaniem. Sutton i jego zespół nie mają pojęcia, dlaczego owady nie wyewoluowały z nieco większym ciężarem w głowie, zapewniającym stabilność.
Ale chociaż lądowanie awaryjne brzmi niebezpiecznie dla nas, jako stosunkowo masywnym stworzeniom, którym grozi złamanie kości, to jest mniej problematyczne dla mniejszych stworzeń. „To zjawisko skalowania” — powiedział Essner. Wraz ze wzrostem rozmiarów masa ciała rośnie szybciej niż powierzchnia przekroju kości podtrzymujących, co decyduje o ich sile. W porównaniu ze słoniem, mysz ma dużo kości, które podpierają jej minimalną masę.
Małe stworzenia „po prostu nie doznają żadnych obrażeń od upadków” – powiedział Essner. Essner dodał, że presja selekcyjna mogła nie być wystarczająco silna, aby zmusić koniki polne i ropuchy dyniowe do rozwinięcia zdolności do prawidłowego lądowania, co pozwoliło im rozwinąć inne zdolności, ważniejsze dla ich przetrwania.
Ponowne przemyślenie granic
Robot zespołu Hawkes przechodzi własną ewolucję. Naukowcy współpracują z NASA, aby przekształcić swoje urządzenie w w pełni działającego robota, który mógłby zbierać próbki na innych światach, używając kontrolowanych skoków do szybkiego pokonywania dużych odległości. Na Księżycu, gdzie nie ma atmosfery, nie ma oporu powietrza i ma tylko jedną szóstą ziemskiej grawitacji, robot mógłby teoretycznie przeskoczyć ponad 400 metrów, powiedział Xiao. Mają nadzieję, że wystrzelą go na Księżyc w ciągu najbliższych pięciu lat.
A jeśli istnieje życie na innych planetach, może nas nauczyć nowych rzeczy o skakaniu. Przy niższych grawitacjach skakanie może stać się łatwiejsze i szybsze niż latanie, więc organizmy mogą ewoluować.
Obce życie może również mieć mięśnie, które działają inaczej, być może z własnymi, podobnymi do grzechotki rozwiązaniami w zakresie magazynowania energii. „Może mają naprawdę absurdalne struktury biomechaniczne, [takie], że mogą magazynować energię w znacznie bardziej skomplikowany sposób” – powiedział St. Pierre.
Ale nawet na Ziemi zwierzęta nadal zaskakują badaczy. Jak pokazało jedno z badań ostrzegawczych, maksymalna wydajność skoków zwierzęcia nie zawsze jest tym, o czym myślimy.
Co roku w hrabstwie Calaveras w Kalifornii odbywa się Jubileusz Skoków Żab inspirowany Słynne opowiadanie Marka Twaina. Na tych targach żaby ryczące skoczyły 2 metry w poziomie, „dziko poza sferą tego, co powinno być”, powiedział Henryka Astleya, adiunkt na Uniwersytecie w Akron. Wcześniej wiadomo było, że żaby ryczące skakały najwyżej na około 1.3 metra. Tak więc około dziesięć lat temu, kiedy Astley rozpoczął pracę doktorską, pojechał do Kalifornii, aby rozwiązać ten problem.
Na jubileusz wynajął ze współpracownikami kilka żab, zjadł trochę lejka i zabrał się do pracy. Analizując dane o skokach żab od drużyn biorących udział w zawodach i od ogółu społeczeństwa, odkryli, że raporty nie były przesadą. Ponad połowa zarejestrowanych przez nich skoków była dalej niż w literaturze. W końcu zdali sobie sprawę (i później szczegółowe w tym, co Sutton nazywa „największym papierem o skokach, jaki kiedykolwiek napisano”), że przynajmniej częściowo przyczyną rozbieżności było to, że motywacje żab były różne. W plenerowej scenerii zawodów w hrabstwie Calaveras żaby bały się „żab dżokejów”, ludzi, którzy wykonywali całe rzucanie w kierunku żab z dużą prędkością. Ale w laboratorium, gdzie tak dramatyczne ruchy nie były powszechne, żaby nie bały się nikogo; po prostu chcieli zostać sami.
