Летом 2021 года на вершине прибрежных скал Санта-Барбары, штат Калифорния, Крис Кили, в то время студент близлежащего университета, присел, чтобы вытащить из своего рюкзака связку металла и резины. Это был робот, которого он заводил несколько минут.
Закончив, он включил запись на камере своего iPhone и увидел, как робот взлетел высоко в воздух, очертил в небе высокую дугу и аккуратно приземлился у его ног. Кили почувствовал облегчение; многие предыдущие тестовые прыжки потерпели неудачу. Только позже той ночью, когда он вернулся в свою спальню и загрузил данные о прыжке на свой ноутбук, он понял, насколько хорошо это сработало.
Прыгун достиг рекордной высоты около 32.9 метра, когда Кили и его сотрудники во главе с Эллиот Хоукс, исследователь машиностроения в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре, сообщили в апреле in природа. Мало того, что он прыгнул более чем в три раза выше, чем другие экспериментальные роботы, созданные для этой задачи, он прыгнул более чем в 14 раз выше, чем любое другое существо в животном мире. По всей вероятности, их робот прыгал выше, чем когда-либо на Земле.
«Я думаю, что это один из очень немногих роботов, который действительно превосходит биологию, и то, как он превосходит биологию, невероятно умно», — сказал он. Райан Сент-Пьер, доцент кафедры машиностроения и аэрокосмической техники Университета Буффало, не участвовавший в исследовании.
Успех робота подчеркивает физические ограничения, с которыми сталкиваются биологические прыгуны в дикой природе. Хотя эти ограничения не позволяют людям прыгать в продуктовый магазин, как если бы они были на пого-стиках, и предотвращают падение лягушек из облаков, биология придумала свои собственные хитроумные обходные пути, которые увеличивают высоту и длину прыжка настолько, насколько они могут. , с помощью небольших биомеханических настроек, адаптированных к потребностям каждого животного в прыжках.
Даже инженеры, создавшие величайшего прыгуна в мире, все еще в восторге от собственных разработок биологии. Теперь «куда бы я ни посмотрел, я вижу прыжки», — сказал Кили. «Я не могу с собой поделать».
Акт прыжков
Исследователи написали, что прыжок — это акт движения, вызванный приложением силы к земле без потери массы. таким образом, ракета, которая теряет топливо при запуске, или стрела, вылетевшая из лука, не считаются.
Мышцы — это биологические двигатели, которые обеспечивают энергию для движений. Чтобы прыгнуть, вы приседаете, сокращая икры и другие мышцы — процесс, который преобразует химическую энергию, имеющуюся в мышцах, в механическая энергия. Сухожилия, эластичные ткани, соединяющие мышцы со скелетом, передают эту механическую энергию костям, которые используют эту энергию, чтобы отталкиваться от земли и толкать тело вверх.
Прыжки в животном мире работают удивительно одинаково в разных размерах и масштабах, но некоторые причуды биомеханического дизайна позволяют определенным существам раздвигать биологические пределы. Сила прыжка эквивалентна тому, сколько энергии доступно прыжковому механизму в единицу времени во время отталкивания. Чем больше энергии вырабатывают ваши мышцы и чем быстрее вы отрываетесь от земли, тем мощнее будет прыжок.
Но по мере того, как животные становятся меньше, их ноги становятся короче и меньше времени контактируют с землей во время запуска. Поэтому им нужно уметь высвобождать энергию для прыжка со взрывной внезапностью. Для этих меньших существ природа придумала творческое решение: хранить большую часть энергии прыжка в высокоэластичных тканях, которые работают как биологические источникиобъяснил Грег Саттон, профессор и научный сотрудник Линкольнского университета в Англии.
Возвращаясь к своей первоначальной длине, пружины могут высвобождать накопленную энергию намного быстрее, чем мышцы, что увеличивает мощность, доступную для прыжка. В результате одни из самых лучших прыгунов в биологическом мире используют пружины.
Например, кузнечик запасает энергию мышц задних ног в пружинах, расположенных на суставах. Эти пружины, похожие на лимские бобы, позволяют кузнечику вкладывать в свой прыжок в 20-40 раз больше силы на единицу массы, чем это может сделать человеческий мускул. Хотя общая мощность кузнечика намного меньше, чем у прыгающего человека, его удельная мощность или мощность на единицу массы намного выше. В результате кузнечик может прыгать на высоту около 0.5 метра — в среднем столько же, сколько и люди, но в десятки раз больше длины тела кузнечика.
Прирост мощности, который кузнечики получают от своих пружин, меркнет по сравнению с тем, что могут собрать некоторые другие крошечные прыгуны. Блохи могут достигать плотности мощности, в 80–100 раз превышающей плотность человеческих мышц, в то время как насекомые, называемые прыгунами, могут генерировать в 600–700 раз больше энергии. Секрет прыгунов в том, что их пружина для хранения энергии прыжка находится в их грудной клетке; дополнительное расстояние для сокращения мышц позволяет передавать больше энергии. «Это было бы так, как если бы мышцы бедер прикреплялись не к тазу, а к плечам», — сказал Саттон.
Некоторые животные, такие как кенгуру, не имеют в своей биомеханической конструкции отдельных пружин, но имеют более эластичные мышечные системы, такие как сухожилия, которые запасают много энергии для прыжков выше. Малый галаго, например, — прыгун-суперзвезда среди позвоночных — имеет чрезвычайно эластичные сухожилия, с помощью которых он может прыгать более чем на 2 метра в высоту и в 12 раз превышать длину своего тела. (Человеческие сухожилия хранят немного энергии и могут действовать как пружины, но они даже отдаленно не так эффективны, как более упругие варианты у других животных.)
прерывистое движение
В течение как минимум полувека исследователи анализировали характеристики некоторых из этих удивительных биологических прыгунов, чтобы создать свои конструкции механических прыгунов. Но это новое исследование может стать первым случаем, когда инженеры, разрабатывающие механические прыгуны, осознали, что «вам не нужно делать то, что делает биология». Шейла Патек, профессор биологии Университета Дьюка.
Новый робот достиг рекордной высоты прыжка, преодолев ограничения биологических конструкций и делая то, что не могут животные. «Мышцы не могут сокращаться», — сказал Саттон. Даже если мышцы передают энергию своего сокращения прикрепленной пружине, когда они снова удлиняются, эта энергия высвобождается. Таким образом, энергия, необходимая для выполнения прыжка, ограничена тем, что может обеспечить одно сгибание мышцы.
Но в заводном роботе защелка удерживает растянутую пружину в положении между пусковыми движениями, поэтому накопленная энергия продолжает накапливаться. Этот храповой процесс умножает количество накопленной энергии, доступной для запуска возможного прыжка. Кроме того, сказал Саттон, квадратное сечение пружины робота позволяет ему хранить в два раза больше энергии, чем биологические пружины, которые имеют более треугольную форму.
Почему у биологических существ не развилась какая-то способность напрягать мышцы или иным образом двигаться выше, дальше и быстрее?
Мышцы эволюционно очень стары; они не сильно отличаются между насекомыми и людьми. «Мы получили мускулы от наших пра-пра-пра-пра-пра-пра-пра-пра-пра-пра-пра-пра-пра-пра-пра-пра-пра-пра-пра-пра-пра-пра-пра-предков», — сказал Саттон. «Изменение фундаментальных свойств битов очень сложно для эволюции».
Если бы эволюционное давление было сильнее, чтобы прыгать очень высоко, «я думаю, у нас появились бы действительно прыгуны в высоту», — сказал он. Чарли Сяо, докторант и соавтор с Кили и другими в новом исследовании роботов. Но лягушек, кузнечиков и людей нужно создавать не только для прыжков, но и для размножения, поиска пищи, спасения от хищников и всего остального, что требует жизнь.
Ричард Эсснер, профессор биологических наук Университета Южного Иллинойса в Эдвардсвилле, объяснил, как эти компромиссы могут работать. Он сказал, что не так много ситуаций, когда вы хотели бы прыгнуть прямо вверх. Чаще всего, когда лягушкам и другим маленьким существам нужна сила прыжка, это происходит потому, что они пытаются убежать от хищника позади них. Тогда лягушка хочет как можно быстрее установить между собой и хищником как можно большее расстояние. Лягушка, скорее всего, уменьшит угол своего взлета, выровняв свою траекторию, чтобы прыгнуть дальше, а не выше, но, вероятно, не настолько далеко, насколько это возможно, потому что прыжок в безопасное место обычно включает в себя серию прыжков. Большинство лягушек подгибают ноги под тело в воздухе, чтобы в момент приземления снова быть готовыми к прыжку.
Удивительно, но не всегда существует давление естественного отбора, чтобы правильно приземлиться после большого прыжка. Недавно в Наука развивается, Эсснер и его команда сообщили, что амфибии, называемые тыквенными жабками, некоторые из которых меньше кончика заточенного карандаша, почти всегда совершают аварийную посадку во время прыжка. Их крошечный размер является корнем их проблемы: как и другие животные, лягушки получают чувство равновесия от вестибулярной системы во внутреннем ухе. Но поскольку их вестибулярная система мала, она относительно нечувствительна к угловому ускорению, в результате чего лягушки плохо приспособлены к тому, чтобы приспособиться к кувыркам во время прыжка.
Они не одиноки в неудачной посадке: кузнечики тоже «просто ужасны в этом», сказал Саттон.
В рамках проекта под руководством аспиранта Хлои Гуд группа Саттона в настоящее время изучает, почему кузнечики бесконтрольно вращаются во время прыжков. В своих экспериментах они снабжали насекомых крошечными утяжеленными цилиндрами, чтобы смещать их центр тяжести. Исследователи обнаружили, что этого было достаточно, чтобы кузнечики не вращались в воздухе, что теоретически может дать кузнечикам больше контроля над их приземлением. Саттон и его команда понятия не имеют, почему насекомые не развивались с немного большим весом в голове для такой стабильности.
Но в то время как аварийная посадка кажется опасной для нас, как для относительно массивных существ, рискующих сломать кости, для меньших существ это менее проблематично. «Это явление масштабирования», — сказал Эсснер. По его словам, с увеличением размера масса тела увеличивается быстрее, чем площадь поперечного сечения опорных костей, определяющая их прочность. По сравнению со слоном у мыши много костей, поддерживающих ее минимальную массу.
Маленькие существа «просто не получают никаких повреждений от падений», — сказал Эсснер. Эсснер добавил, что, возможно, не было достаточно сильного давления отбора, чтобы заставить кузнечиков и тыквенных жаб развить способность правильно приземляться, что освободило их для развития других способностей, более важных для их выживания.
Переосмысление ограничений
Робот команды Хоукса претерпевает собственную эволюцию. Исследователи работают с НАСА над превращением своего устройства в полнофункционального робота, который мог бы собирать образцы в других мирах, используя контролируемые прыжки для быстрого преодоления больших расстояний. По словам Сяо, на Луне, где нет атмосферы, сопротивления воздуха и только одной шестой силы тяжести Земли, робот теоретически может прыгнуть более чем на 400 метров. Они надеются запустить его на Луну в ближайшие пять лет или около того.
И если на других планетах есть жизнь, она может научить нас новым прыжкам. При более низкой гравитации прыгать может стать легче и быстрее, чем летать, поэтому у организмов могут появиться «прыгающие персонажи, похожие на Марио», — сказал Саттон.
У инопланетной жизни также могут быть мышцы, которые работают по-другому, возможно, со своими собственными храповыми механизмами для хранения энергии. «Возможно, у них действительно нелепые биомеханические структуры, [такие], что они могут накапливать энергию гораздо более сложным способом», — сказал Сен-Пьер.
Но даже на Земле животные продолжают удивлять исследователей. Как показало одно предупредительное исследование, максимальная прыгучесть животного не всегда соответствует тому, что мы могли бы подумать.
Каждый год в округе Калаверас, штат Калифорния, проводится юбилей прыгающей лягушки, вдохновленный Знаменитый рассказ Марка Твена. Сообщается, что на этих ярмарках лягушки-быки прыгали на 2 метра по горизонтали, что «дико выходит за рамки того, что должно быть». Генри Эстли, доцент Университета Акрона. Ранее было известно, что лягушки-быки прыгают не более чем на 1.3 метра. Итак, около десяти лет назад, когда Эстли приступил к работе над докторской диссертацией, он отправился в Калифорнию, чтобы решить этот вопрос.
На юбилее он и его коллеги взяли напрокат лягушек, съели торт-воронку и приступили к работе. Анализируя данные о прыжках с лягушки, полученные от команд соревнований и представителей широкой публики, они обнаружили, что отчеты не были преувеличением. Более половины зарегистрированных ими прыжков были дальше, чем в литературе. В конце концов они поняли (и позже подробно в том, что Саттон называет «величайшей статьей о прыжках из когда-либо написанных»), что, по крайней мере, отчасти причина несоответствия заключалась в том, что мотивы лягушек различались. На открытых площадках соревнований округа Калаверас лягушки боялись «лягушачьих жокеев», людей, которые выполняли выпады всем телом в сторону лягушек на высокой скорости. Но в лаборатории, где такие драматические движения были редкостью, лягушки никого не боялись; они просто хотели, чтобы их оставили в покое.
