No verão de 2021, no topo das falésias costeiras de Santa Bárbara, Califórnia, Chris Keeley, então estudante de graduação na universidade próxima, agachou-se para tirar um pacote de metal e borracha de sua mochila. Era um robô, que ele passou vários minutos dando corda.
Quando terminou, ele gravou a câmera do iPhone e viu o robô se lançar bem alto, desenhar um arco alto no céu e pousar perfeitamente perto de seus pés. Keeley ficou aliviado; muitos saltos de teste anteriores falharam. Só mais tarde naquela noite, quando ele voltou para seu quarto e baixou os dados do salto em seu laptop, é que percebeu como tudo havia funcionado bem.
O saltador atingiu uma altura recorde de cerca de 32.9 metros, enquanto Keeley e seus colaboradores, liderados por Elliot Hawkes, pesquisador de engenharia mecânica da Universidade da Califórnia, Santa Bárbara, relatado em abril in Natureza. Não só saltou mais de três vezes mais alto do que outros robôs experimentais construídos para essa tarefa, como também saltou mais de 14 vezes mais alto do que qualquer outra criatura do reino animal. Com toda a probabilidade, o robô deles saltou mais alto do que qualquer coisa já feita na Terra.
“Acho que este é um dos poucos robôs que realmente supera a biologia, e a maneira como ele supera a biologia é incrivelmente inteligente”, disse Ryan St., professor assistente do departamento de engenharia mecânica e aeroespacial da Universidade de Buffalo que não esteve envolvido no estudo.
O sucesso do robô destaca as limitações físicas que os saltadores biológicos enfrentam na natureza. Embora essas limitações impeçam os humanos de ir ao supermercado como se estivessem em pula-pulas e evitem que os sapos caiam das nuvens, a biologia criou suas próprias soluções engenhosas que aumentam a altura e o comprimento do salto o máximo que podem. , através de pequenos ajustes biomecânicos adaptados às necessidades de salto de cada animal.
Até mesmo os engenheiros por trás do maior saltador do mundo ainda estão maravilhados com os projetos da própria biologia. Agora, “para onde quer que eu olhe, vejo saltos”, disse Keeley. “Eu não consigo evitar.”
O ato de pular
Um salto é um ato de movimento causado pela aplicação de força ao solo sem perda de massa, escreveram os pesquisadores; assim, um foguete que perde combustível no lançamento ou uma flecha que sai do arco não contam.
Os músculos são os motores biológicos que fornecem energia para os movimentos. Para pular, você se agacha, contraindo as panturrilhas e outros músculos, um processo que converte a energia química disponível nos músculos em energia mecânica. Os tendões, tecidos elásticos que conectam os músculos ao esqueleto, transmitem essa energia mecânica aos ossos, que usam essa energia para empurrar o solo e impulsionar o corpo para cima.
O salto funciona de maneira surpreendentemente semelhante em todos os tamanhos e escalas do reino animal – mas algumas peculiaridades do projeto biomecânico permitem que certas criaturas ultrapassem os limites biológicos. A potência de um salto é equivalente à quantidade de energia disponível para o mecanismo de salto por unidade de tempo durante o impulso. Quanto mais energia seus músculos gerarem e quanto mais rápido você sair do chão, mais poderoso será o salto.
Mas à medida que os animais ficam menores, suas pernas ficam mais curtas e ficam menos tempo em contato com o solo durante o lançamento. Eles, portanto, precisam ser capazes de liberar a energia para um salto com rapidez explosiva. Para estas criaturas mais pequenas, a natureza apresentou uma solução criativa: armazenar a maior parte da energia do salto em tecidos altamente elásticos que funcionam como fontes biológicas, explicou Greg Sutton, professor e pesquisador da Universidade de Lincoln, na Inglaterra.
Ao retornar ao comprimento original, as molas podem liberar a energia armazenada muito mais rápido do que os músculos, o que aumenta a potência disponível para o salto. Como resultado, alguns dos melhores saltadores do mundo biológico são aqueles que usam molas.
Por exemplo, um gafanhoto armazena a energia dos músculos das patas traseiras em molas localizadas nas articulações. Essas molas, que se parecem com feijões-de-lima, permitem ao gafanhoto colocar 20 a 40 vezes mais força por unidade de massa no seu salto do que um músculo humano. Embora a potência total do gafanhoto seja muito menor do que a gerada por um ser humano saltando, sua densidade de potência, ou potência por unidade de massa, é muito maior. Como resultado, o gafanhoto pode saltar a uma altura de cerca de 0.5 metros – a mesma altura que os humanos conseguem, em média, mas dezenas de vezes o comprimento do corpo do gafanhoto.
O aumento de potência que os gafanhotos obtêm de suas molas é insignificante em comparação com o que alguns outros saltadores minúsculos conseguem reunir. As pulgas podem atingir 80 a 100 vezes a densidade de potência dos músculos humanos, enquanto os insetos chamados froghoppers podem gerar 600 a 700 vezes mais. O segredo dos froghoppers é que a mola para armazenar a energia do salto está no tórax; a distância extra para a contração muscular permite a entrega de mais força. “Seria como se os músculos do quadril, em vez de se fixarem na pélvis, se fixassem nos ombros”, disse Sutton.
Alguns animais, como os cangurus, não possuem molas separadas em seu desenho biomecânico, mas possuem sistemas musculares mais elásticos, como tendões que armazenam muita energia para saltar mais alto. O Galago Menor, por exemplo – um saltador superstar entre os vertebrados – tem tendões extremamente elásticos com os quais pode saltar mais de 2 metros de altura e até 12 vezes o comprimento do seu corpo. (Os tendões humanos armazenam um pouco de energia e podem agir como molas, mas não são nem remotamente tão eficazes quanto as versões mais elásticas de outros animais.)
Catraca
Por pelo menos meio século, os pesquisadores analisaram o desempenho de alguns desses incríveis jumpers biológicos para informar seus projetos de jumpers mecânicos. Mas este novo estudo pode marcar a primeira vez que engenheiros que projetam jumpers mecânicos perceberam que “não é preciso fazer o que a biologia está fazendo”, disse. Sheila Patek, professor de biologia na Duke University.
O novo robô alcançou alturas recordes de salto ao superar uma restrição nos projetos biológicos e fazer o que os animais não conseguem. “Os músculos não podem se movimentar”, disse Sutton. Mesmo que os músculos transfiram a energia da sua contracção para uma mola presa, quando se alongam novamente, essa energia é libertada. A energia disponível para impulsionar um salto é, portanto, limitada ao que uma flexão de um músculo pode fornecer.
Mas no robô de corda, uma trava mantém a mola esticada em posição entre os movimentos de partida, de modo que a energia armazenada continua se acumulando. Este processo de catraca multiplica a quantidade de energia armazenada disponível para lançar o eventual salto. Além disso, disse Sutton, a seção transversal quadrada da mola do robô permite armazenar duas vezes mais energia que as molas biológicas, que têm um design mais triangular.
Por que as criaturas biológicas não desenvolveram alguma capacidade de contrair os músculos ou de se moverem mais alto, mais longe e mais rápido?
Os músculos são evolutivamente muito antigos; eles não diferem muito entre insetos e humanos. “Ganhamos músculos de nossos tataravôs sem espinha dorsal”, disse Sutton. “Alterar as propriedades fundamentais dos bits é realmente difícil para a evolução.”
Se tivesse havido mais pressão evolutiva para saltar muito alto, “acho que teríamos evoluído saltadores muito altos”, disse Charlie Xiao, estudante de doutorado e coautor com Keeley e outros no novo estudo do robô. Mas sapos, gafanhotos e humanos precisam ser construídos não apenas para saltar, mas para se reproduzir, encontrar alimento, escapar de predadores e fazer tudo o mais que a vida exige.
Richard Essener, professor de ciências biológicas na Southern Illinois University Edwardsville, explicou como essas compensações podem funcionar. Não há muitas situações em que você gostaria de pular direto, disse ele. Na maioria das vezes, quando sapos e outras pequenas criaturas precisam de poder de salto, é porque estão tentando escapar de um predador atrás deles. Então o sapo deseja colocar rapidamente a maior distância possível entre ele e o predador. O sapo provavelmente diminuirá seu ângulo de decolagem, achatando sua trajetória para saltar mais longe em vez de mais alto – mas provavelmente não o mais longe que puder, porque saltar para um local seguro geralmente envolve uma série de saltos. A maioria dos sapos dobra as pernas sob o corpo no ar para que, no momento do pouso, estejam prontos para pular novamente.
Surpreendentemente, nem sempre há pressão da seleção natural para pousar corretamente após um grande salto. Recentemente em Os avanços da ciência, Essner e sua equipe relataram que anfíbios chamados sapos-abóbora, alguns dos quais são menores que a ponta de um lápis afiado, quase sempre fazem aterrissagens forçadas quando saltam. O seu pequeno tamanho está na raiz do problema: tal como outros animais, as rãs obtêm o seu sentido de equilíbrio a partir do sistema vestibular no ouvido interno. Mas como o seu sistema vestibular é pequeno, é relativamente insensível à aceleração angular, deixando as rãs mal equipadas para se ajustarem às cambalhotas durante um salto.
Eles não estão sozinhos em pousar mal: os gafanhotos também são “péssimos nisso”, disse Sutton.
Num projeto liderado pela estudante Chloe Goode, o grupo de Sutton está atualmente estudando por que os gafanhotos giram incontrolavelmente durante os seus saltos. Em seus experimentos, eles equiparam os insetos com pequenas cartolas pesadas para mudar seu centro de gravidade. Os pesquisadores descobriram que isso foi suficiente para impedir que os gafanhotos girassem no ar, o que, em teoria, poderia dar aos gafanhotos mais controle sobre o pouso. Sutton e sua equipe não têm ideia de por que os insetos não evoluíram com um pouco mais de peso na cabeça para obter essa estabilidade.
Mas embora um pouso forçado pareça perigoso para nós, como criaturas relativamente grandes e em risco de quebrar ossos, é menos problemático para criaturas menores. “É um fenômeno crescente”, disse Essner. Com o aumento do tamanho, a massa corporal aumenta mais rapidamente do que a área transversal dos ossos de suporte, o que determina a sua força, disse ele. Comparado a um elefante, um rato tem muitos ossos que sustentam sua massa mínima.
Criaturas pequenas “simplesmente não sofrem nenhum dano com quedas”, disse Essner. Pode não ter havido uma pressão selectiva suficientemente forte para obrigar os gafanhotos e os sapos-abóbora a desenvolverem a capacidade de aterrar correctamente, o que os libertou para desenvolver outras capacidades mais importantes para a sua sobrevivência, acrescentou Essner.
Repensando os Limites
O robô da equipe Hawkes está passando por uma evolução própria. Os pesquisadores estão trabalhando com a NASA para desenvolver seu dispositivo em um robô totalmente funcional que possa coletar amostras em outros mundos, usando saltos controlados para percorrer rapidamente longas distâncias. Na Lua, onde não há atmosfera, nem resistência do ar e apenas um sexto da gravidade da Terra, o robô poderia, teoricamente, saltar mais de 400 metros, disse Xiao. A esperança deles é lançá-lo à Lua nos próximos cinco anos ou mais.
E se houver vida em outros planetas, ela poderá ter coisas novas para nos ensinar sobre saltos. Em gravidades mais baixas, saltar pode tornar-se mais fácil e rápido do que voar, pelo que os organismos podem desenvolver “personagens saltadores semelhantes aos do Mario”, disse Sutton.
A vida alienígena também pode ter músculos que funcionam de maneira diferente, talvez com suas próprias soluções semelhantes a catracas para armazenamento de energia. “Talvez eles tenham estruturas biomecânicas realmente ridículas, [de tal forma] que possam armazenar energia de uma forma muito mais complicada”, disse St. Pierre.
Mas mesmo na Terra, os animais continuam a surpreender os investigadores. Como mostrou um estudo preventivo, o desempenho máximo de salto de um animal nem sempre é o que pensamos.
Todos os anos, o condado de Calaveras, Califórnia, organiza um Jubileu do Jumping Frog inspirado em O famoso conto de Mark Twain. Nessas feiras, os sapos-touro saltaram 2 metros horizontalmente, “muito fora do reino do que deveriam ser”, disse Henrique Astley, professor assistente da Universidade de Akron. Anteriormente, sabia-se que os sapos-touro saltavam no máximo cerca de 1.3 metros. Assim, há cerca de uma década, quando Astley iniciou o seu trabalho de doutoramento, viajou para a Califórnia para resolver a questão.
No jubileu, ele e seus colegas alugaram alguns sapos, comeram bolo de funil e começaram a trabalhar. Ao analisar dados de saltos de sapos de equipes de competição e de membros do público em geral, eles descobriram que os relatórios não eram um exagero. Mais da metade dos saltos registrados foram mais distantes do que os da literatura. Eles finalmente perceberam (e posteriormente detalhado no que Sutton chama de “o maior artigo sobre saltos já escrito”) que pelo menos parte da razão para a discrepância era que as motivações dos sapos eram diferentes. No cenário ao ar livre da competição do condado de Calaveras, os sapos tinham medo dos “jóqueis de sapos”, pessoas que realizavam investidas de corpo inteiro em direção aos sapos em alta velocidade. Mas no laboratório, onde movimentos tão dramáticos não eram comuns, os sapos não tinham medo de ninguém; eles apenas queriam ser deixados sozinhos.
