În vara lui 2021, pe stâncile de coastă din Santa Barbara, California, Chris Keeley, pe atunci student la universitatea din apropiere, s-a ghemuit pentru a scoate un mănunchi de metal și cauciuc din rucsac. Era un robot, pe care și-a petrecut câteva minute să-l găsească.
Când a terminat, a lovit înregistrarea de pe camera iPhone-ului său și a văzut robotul lansându-se sus în aer, desenând un arc înalt pe cer și aterizează cu grijă lângă picioarele lui. Keeley era uşurat; multe salturi de testare anterioare eșuaseră. Abia mai târziu în noaptea aceea, când s-a întors în dormitorul lui și a descărcat datele de salt pe laptop, și-a dat seama cât de bine funcționase.
Saritorul atinsese o inaltime record de aproximativ 32.9 metri, intrucat Keeley si colaboratorii sai, condusi de Elliot Hawkes, cercetător în inginerie mecanică la Universitatea din California, Santa Barbara, raportat în aprilie in Natură. Nu numai că a sărit de peste trei ori mai sus decât alți roboți experimentali construiți pentru această sarcină, dar a sărit de peste 14 ori mai sus decât orice altă creatură din regnul animal. După toate probabilitățile, robotul lor a sărit mai sus decât orice a avut vreodată pe Pământ.
„Cred că acesta este unul dintre puținii roboți care depășesc de fapt biologia, iar modul în care depășește biologia este incredibil de inteligent”, a spus Ryan St. Pierre, profesor asistent la departamentul de inginerie mecanică și aerospațială de la Universitatea din Buffalo, care nu a fost implicat în studiu.
Succesul robotului evidențiază limitările fizice cu care săritorii biologici se confruntă în sălbăticie. Deși aceste limitări îi împiedică pe oameni să sară la magazin ca și cum ar fi pe bețișoare de pogo și împiedică broaștele să cadă din nori, biologia a venit cu propriile soluții ingenioase care împing înălțimea și lungimea săriturii cât de departe pot. , prin mici ajustări biomecanice adaptate nevoilor de sărituri ale fiecărui animal.
Chiar și inginerii din spatele celui mai mare săritor din lume sunt încă încântați de designurile proprii ale biologiei. Acum, „oriunde mă uit, văd sărind”, a spus Keeley. „Nu mă pot abține.”
Actul de a sari
Un salt este un act de mișcare cauzat de aplicarea forței la sol fără pierderea de masă, au scris cercetătorii; astfel, o rachetă, care pierde combustibil la lansare, sau o săgeată, care părăsește arcul, nu contează.
Mușchii sunt motoarele biologice care furnizează energia pentru mișcări. Pentru a sari, te ghemuiesti, contractand gambele si alti muschi, un proces care converteste energia chimica disponibila in muschi in energie mecanică. Tendoanele, țesuturile elastice care conectează mușchii de schelet, transmit acea energie mecanică oaselor, care folosesc acea energie pentru a împinge solul pentru a propulsa corpul în sus.
Săriturile funcționează în moduri surprinzător de similare pe dimensiuni și scări în regnul animal - dar unele ciudații de design biomecanic permit anumitor creaturi să depășească limitele biologice. Puterea unui salt este echivalentă cu câtă energie este disponibilă mecanismului de săritură pe unitatea de timp în timpul împingerii. Cu cât mușchii tăi generează mai multă energie și cu cât cobori mai repede de la sol, cu atât saltul va fi mai puternic.
Dar pe măsură ce animalele devin mai mici, picioarele lor se scurtează și sunt în contact cu solul pentru mai puțin timp în timpul lansării. Prin urmare, ei trebuie să fie capabili să elibereze energia pentru un salt cu o bruscă explozie. Pentru aceste creaturi mai mici, natura a venit cu o soluție creativă: stocarea cea mai mare parte a energiei de salt în țesuturi foarte elastice care funcționează ca izvoare biologice, a explicat Greg Sutton, profesor și cercetător la Universitatea Lincoln din Anglia.
Când revin la lungimea inițială, arcurile pot elibera acea energie stocată mult mai repede decât o pot face mușchii, ceea ce crește puterea disponibilă pentru săritură. Drept urmare, unii dintre cei mai buni săritori din lumea biologică sunt cei care folosesc arcuri.
De exemplu, o lăcustă stochează energia mușchilor picioarelor posterioare în arcuri situate pe articulații. Acele izvoare, care arată ca boabele de lima, permit lăcustei să pună în salt de 20 până la 40 de ori mai multă putere pe unitatea de masă decât poate un mușchi uman. Deși puterea totală a lăcustei este mult mai mică decât o generează un om săritor, densitatea sa de putere, sau puterea pe unitatea de masă, este mult mai mare. Drept urmare, lăcusta poate sări la o înălțime de aproximativ 0.5 metri - aceeași în medie ca oamenii, dar de zeci de ori lungimea corpului lăcustei.
Puterea pe care o primesc lăcustele de la izvoarele lor palidează în comparație cu ceea ce pot obține alți săritori mici. Puricii pot atinge o densitate de putere de 80 până la 100 de ori mai mare decât a mușchilor umani, în timp ce insectele numite broaștere pot genera de 600 până la 700 de ori mai mult. Secretul broașterilor este că arcul lor pentru stocarea energiei de săritură este în torace; distanța suplimentară pentru contracția musculară permite furnizarea de mai multă putere. „Ar fi ca și cum mușchii șoldului, în loc să se atașeze de pelvis, ar fi atașați de umeri”, a spus Sutton.
Unele animale, cum ar fi cangurii, nu au arcuri separate în designul lor biomecanic, dar au sisteme musculare mai elastice, cum ar fi tendoanele care stochează multă energie pentru a sări mai sus. Galagoul mic, de exemplu, un săritor de superstar printre vertebrate, are tendoane extrem de elastice cu care poate sări mai mult de 2 metri înălțime și de până la 12 ori lungimea corpului său. (Tendonele umane stochează puțină energie și pot acționa ca niște arcuri, dar nu sunt la fel de eficiente ca versiunile mai elastice la alte animale.)
Clichetare
Timp de cel puțin o jumătate de secol, cercetătorii au analizat performanța unora dintre aceste uimitoare săritori biologici pentru a-și informa proiectele de săritori mecanici. Dar acest nou studiu ar putea marca prima dată când inginerii care proiectează jumperi mecanici și-au dat seama că „nu trebuie să faci ceea ce face biologia”, a spus. Sheila Patek, profesor de biologie la Universitatea Duke.
Noul robot a atins înălțimi record de sărituri depășind o constrângere asupra designurilor biologice și făcând ceea ce animalele nu pot. „Mușchii nu pot să se ridice”, a spus Sutton. Chiar dacă mușchii transferă energia contracției lor către un arc atașat, atunci când se lungesc din nou, acea energie este eliberată. Energia disponibilă pentru a conduce un salt este, prin urmare, limitată la ceea ce poate oferi o flexie a unui mușchi.
Dar în robotul de înfășurare, un zăvor ține arcul întins în poziție între mișcările de declanșare, astfel încât energia stocată continuă să se acumuleze. Acest proces de clichet multiplică cantitatea de energie stocată disponibilă pentru lansarea eventualului salt. Mai mult, a spus Sutton, secțiunea transversală pătrată a arcului robotului îi permite acestuia să stocheze de două ori mai multă energie decât arcurile biologice, care au un design mai triunghiular.
De ce creaturile biologice nu au dezvoltat o oarecare abilitate de a-și ridica mușchii sau de a se deplasa în alt mod mai sus, mai departe și mai repede?
Mușchii sunt foarte bătrâni din punct de vedere evolutiv; nu diferă atât de mult între insecte și oameni. „Avem mușchi de la strămoșii noștri fără coloană vertebrală”, a spus Sutton. „Schimbarea proprietăților fundamentale ale biților este cu adevărat dificilă pentru evoluție.”
Dacă ar fi existat mai multă presiune evolutivă pentru a sări foarte sus, „Bănuiesc că am fi evoluat săritori cu adevărat în înălțime”, a spus Charlie Xiao, un doctorand și coautor cu Keeley și alții în noul studiu cu robot. Dar broaștele, lăcustele și oamenii trebuie să fie construite nu numai pentru a sări, ci și pentru a se reproduce, a găsi hrană, a scăpa de prădători și pentru a face tot ce are nevoie viața.
Richard Essner, profesor de științe biologice la Southern Illinois University Edwardsville, a explicat cum pot funcționa aceste compromisuri. Nu sunt multe situații în care ai vrea să sari direct în sus, a spus el. Cel mai adesea, când broaștele și alte creaturi mici au nevoie de putere de săritură, este pentru că încearcă să scape de un prădător din spatele lor. Apoi broasca vrea să plaseze rapid cât mai multă distanță între ea și prădător. Probabil că broasca își va scădea unghiul de decolare, aplatizându-și traiectoria pentru a sări mai departe decât mai sus - dar probabil nu cât mai departe poate, deoarece săritul în siguranță implică de obicei o serie de sărituri. Majoritatea broaștelor își pliază picioarele sub corp în aer, astfel încât, în momentul aterizării, sunt gata să sară din nou.
În mod surprinzător, nu există întotdeauna o presiune de selecție naturală pentru a ateriza corect după un salt mare. Recent, în Avansuri de știință, Essner și echipa sa au raportat că amfibienii numiți broaște de dovleac, dintre care unele sunt mai mici decât vârful unui creion ascuțit, aproape întotdeauna se prăbușesc când sar. Dimensiunea lor mică este la baza problemei lor: ca și alte animale, broaștele își obțin simțul echilibrului din sistemul vestibular din urechea lor internă. Dar, deoarece sistemul lor vestibular este mic, este relativ insensibil la accelerația unghiulară, lăsând broaștele prost echipate pentru a se adapta pentru a se răsturna în timpul unui salt.
Nu sunt singuri care aterizează rău: și lăcustele sunt „pur și îngrozitoare la asta”, a spus Sutton.
Într-un proiect condus de studenta absolventă Chloe Goode, grupul lui Sutton studiază în prezent de ce lăcustele se învârt necontrolat în timpul săriturii lor. În experimentele lor, ei au echipat insectele cu pălării de cilindă minuscule pentru a-și schimba centrul de greutate. Cercetătorii au descoperit că acest lucru a fost suficient pentru a opri lăcustele să se rotească în aer, ceea ce, teoretic, le-ar putea oferi lăcustelor mai mult control asupra aterizării lor. Sutton și echipa sa nu au idee de ce insectele nu au evoluat cu puțin mai multă greutate în cap pentru acea stabilitate.
Dar, în timp ce o aterizare accidentală sună periculoasă pentru noi, ca fiind creaturi relativ masive care riscă să se rupă oase, este mai puțin problematică pentru creaturile mai mici. „Este un fenomen de scalare”, a spus Essner. Odată cu creșterea dimensiunii, masa corporală crește mai repede decât aria secțiunii transversale a oaselor de susținere, ceea ce determină rezistența acestora, a spus el. În comparație cu un elefant, un șoarece are o mulțime de oase care susțin masa minimă.
Creaturile mici „pur și simplu nu suferă nicio daune din cauza căderilor”, a spus Essner. Este posibil să nu fi existat o presiune de selecție suficient de puternică pentru a obliga lăcustele și broaștele de dovleac să evolueze în mod corespunzător capacitatea de a ateriza, ceea ce i-a eliberat să dezvolte alte abilități mai importante pentru supraviețuirea lor, a adăugat Essner.
Regândirea limitelor
Robotul echipei Hawkes trece printr-o evoluție proprie. Cercetătorii lucrează cu NASA pentru a-și dezvolta dispozitivul într-un robot pe deplin funcțional, care ar putea colecta mostre pe alte lumi, folosind sărituri controlate pentru a parcurge rapid distanțe lungi. Pe Lună, unde nu există atmosferă, nu există rezistență de aer și doar o șesime din gravitația Pământului, robotul ar putea sări teoretic mai mult de 400 de metri, a spus Xiao. Speranța lor este să-l lanseze pe Lună în următorii cinci ani și ceva.
Și dacă există viață pe alte planete, poate avea lucruri noi care să ne învețe despre sărituri. La gravitații mai mici, săritul ar putea deveni mai ușor și mai rapid decât zborul, astfel încât organismele ar putea evolua „personaje sărituri asemănătoare lui Mario”, a spus Sutton.
Viața extraterestră ar putea avea, de asemenea, mușchi care funcționează diferit, poate cu propriile soluții asemănătoare cu clichetele pentru stocarea energiei. „Poate că au structuri biomecanice cu adevărat ridicole, [astfel] încât pot stoca energie într-un mod mult mai complicat”, a spus St. Pierre.
Dar chiar și pe Pământ, animalele continuă să surprindă cercetătorii. După cum a arătat un studiu de precauție, performanța maximă de sărituri a unui animal nu este întotdeauna ceea ce am putea crede.
În fiecare an, județul Calaveras, California, găzduiește un Jubileu de broaște săritoare, inspirat de Faimoasa nuvelă a lui Mark Twain. La aceste târguri, se spune că broaștele de tauri au sărit 2 metri pe orizontală, „în afara tărâmului a ceea ce ar trebui să fie”, a spus. Henry Astley, profesor asistent la Universitatea din Akron. Se știa anterior că broaștele de tauri săreau cel mult aproximativ 1.3 metri. Așa că în urmă cu aproximativ un deceniu, când Astley și-a început lucrarea de doctorat, a călătorit în California pentru a soluționa problema.
La jubileu, el și colegii săi au închiriat niște broaște, au mâncat niște prăjituri și s-au apucat de treabă. Analizând datele de sărituri de broaște de la echipele de competiție și de la membrii publicului larg, ei au descoperit că rapoartele nu erau o exagerare. Mai mult de jumătate din săriturile pe care le-au înregistrat au fost mai departe decât cele din literatură. În cele din urmă și-au dat seama (și detaliat ulterior în ceea ce Sutton numește „cea mai mare hârtie de sărituri scrisă vreodată”) că cel puțin o parte din motivul discrepanței a fost că motivațiile broaștelor diferă. În cadrul competiției din județul Calaveras, broaștele se temeau de „jochei broaște”, oameni care făceau lovituri întregi ale corpului către broaște cu viteză mare. Dar în laborator, unde asemenea mișcări dramatice nu erau obișnuite, broaștele nu erau îngrozite de nimeni; doreau doar să fie lăsați în pace.
