Poleti 2021 je na vrhu obalnih pečin Santa Barbare v Kaliforniji Chris Keeley, takrat dodiplomski študent bližnje univerze, čepel, da bi iz svojega nahrbtnika potegnil sveženj kovine in gume. Bil je robot, ki ga je navijal nekaj minut.
Ko je končal, je pritisnil na kamero svojega iPhona in opazoval, kako se robot dvigne visoko v zrak, zariše visok lok na nebu in lepo pristane blizu njegovih nog. Keeley je odleglo; številni prejšnji testni skoki so bili spodleteli. Šele pozneje tisto noč, ko se je vrnil v svojo spalnico in prenesel podatke o skoku na svoj prenosni računalnik, je ugotovil, kako dobro je delovalo.
Skakalec je dosegel rekordno višino približno 32.9 metra, saj je Keeley s sodelavci na čelu z Elliot Hawkes, raziskovalec strojništva na kalifornijski univerzi v Santa Barbari, poročali aprila in Narava. Ne samo, da je skočil več kot trikrat višje kot drugi poskusni roboti, izdelani za to nalogo, skočil je več kot 14-krat višje kot katero koli drugo bitje v živalskem kraljestvu. Po vsej verjetnosti je njihov robot skočil višje kot karkoli doslej na Zemlji.
"Mislim, da je to eden redkih robotov, ki dejansko prekaša biologijo, in način, kako prekaša biologijo, je neverjetno pameten," je dejal Ryan St. Pierre, docent na oddelku za strojništvo in vesoljsko inženirstvo na Univerzi v Buffalu, ki ni bil vključen v študijo.
Uspeh robota poudarja fizične omejitve, s katerimi se srečujejo biološki skakalci v divjini. Čeprav te omejitve ljudem preprečujejo, da bi skočili v trgovino z živili, kot da bi bili na pogo palicah, in preprečujejo, da bi žabe padle iz oblakov, je biologija iznašla lastne domiselne rešitve, ki višino in dolžino skoka povečajo, kolikor je mogoče. , z majhnimi biomehanskimi popravki, prilagojenimi potrebam skakanja vsake živali.
Celo inženirji, ki stojijo za največjim skakalcem na svetu, so še vedno navdušeni nad načrti biologije. Zdaj, "kamorkoli pogledam, vidim skakanje," je dejala Keeley. "Ne morem si pomagati."
Akt skakanja
Skok je dejanje gibanja, ki ga povzroči uporaba sile na tla brez izgube mase, so zapisali raziskovalci; tako raketa, ki ob izstrelitvi izgubi gorivo, ali puščica, ki zapusti svoj lok, ne šteje.
Mišice so biološki motorji, ki zagotavljajo energijo za gibanje. Če želite skočiti, počepnete, skrčite teleta in druge mišice, proces, ki pretvori kemično energijo, ki je na voljo v mišicah, v mehanska energija. Tetive, raztegljiva tkiva, ki povezujejo mišice z okostjem, prenašajo to mehansko energijo na kosti, ki to energijo uporabljajo za potiskanje proti tlom, da poženejo telo navzgor.
Skakanje deluje na presenetljivo podoben način v različnih velikostih in lestvicah v živalskem kraljestvu - vendar nekatere biomehanske zasnove dopuščajo nekaterim bitjem, da premaknejo biološke meje. Moč skoka je enakovredna količini energije, ki je na voljo skakalnemu mehanizmu na enoto časa med odrivom. Več energije kot ustvarijo vaše mišice in hitreje ko se dvignete s tal, močnejši bo skok.
Ko pa živali postajajo manjše, se njihove noge krajšajo in so med izstrelitvijo manj časa v stiku s tlemi. Zato morajo biti sposobni eksplozivno nenadno sprostiti energijo za skok. Za ta manjša bitja je narava našla kreativno rešitev: večino energije skoka shrani v zelo elastična tkiva, ki delujejo kot biološki izviri, je pojasnil Greg Sutton, profesorica in raziskovalka na Univerzi Lincoln v Angliji.
Ko se vzmeti vrnejo na prvotno dolžino, lahko vzmeti sprostijo to shranjeno energijo veliko hitreje kot mišice, kar poveča moč, ki je na voljo za skok. Posledično so nekateri izmed najboljših skakalcev v biološkem svetu tisti, ki uporabljajo vzmeti.
Na primer, kobilica shranjuje energijo mišic zadnjih nog v vzmeti, ki se nahajajo na sklepih. Te vzmeti, ki izgledajo kot lima fižol, omogočajo kobilici, da v svoj skok vloži od 20- do 40-krat več moči na enoto mase, kot jo zmore človeška mišica. Čeprav je skupna moč kobilice veliko manjša od tiste, ki jo ustvari skakajoči človek, je njena gostota moči ali moč na enoto mase veliko večja. Posledično lahko kobilica skoči na višino približno 0.5 metra - v povprečju enako kot ljudje, vendar več desetkrat večja od dolžine telesa kobilice.
Povečanje moči, ki jo kobilice dobijo s svojimi vzmeti, je bledo v primerjavi s tem, kar zmorejo nekateri drugi majhni skakalci. Bolhe lahko dosežejo 80- do 100-kratno gostoto moči človeških mišic, medtem ko lahko žuželke, imenovane skakalci, ustvarijo 600- do 700-krat več. Skrivnost skakalcev je v tem, da je njihova vzmet za shranjevanje energije skoka v njihovem prsnem košu; dodatna razdalja za krčenje mišic omogoča prenos večje moči. "Bilo bi, kot da bi se vaše mišice kolka, namesto da bi se pritrdile na medenico, pritrdile na vaša ramena," je dejal Sutton.
Nekatere živali, kot so kenguruji, nimajo ločenih vzmeti v svoji biomehanski zasnovi, imajo pa bolj elastične mišične sisteme, kot so kite, ki shranijo veliko energije za višji skok. Mali galago, na primer - superzvezdni skakalec med vretenčarji - ima izjemno raztegljive kite, s katerimi lahko skoči več kot 2 metra visoko in do 12-krat daljšo od svoje telesne dolžine. (Človeške kite shranijo malo energije in lahko delujejo kot vzmeti, vendar niso niti približno tako učinkovite kot vzmetne različice pri drugih živalih.)
Racheting
Vsaj pol stoletja so raziskovalci analizirali delovanje nekaterih od teh neverjetnih bioloških skakalcev, da bi seznanili z njihovimi zasnovami mehanskih skakalcev. Toda ta nova študija bi morda pomenila prvič, da so inženirji, ki načrtujejo mehanske skakalce, spoznali, da "ni vam treba delati tega, kar počne biologija," je dejal Sheila Patek, profesor biologije na univerzi Duke.
Novi robot je dosegel rekordne višine skokov tako, da je premagal omejitev bioloških zasnov in naredil tisto, česar živali ne morejo. "Mišice ne morejo zaskočiti," je dejal Sutton. Tudi če mišice energijo svojega krčenja prenesejo na pritrjeno vzmet, se ta energija sprosti, ko se ponovno podaljšajo. Energija, ki je na voljo za pogon skoka, je torej omejena na tisto, kar lahko zagotovi en upogib mišice.
Toda pri robotu za navijanje zapah drži raztegnjeno vzmet v položaju med zagonom, tako da se shranjena energija kopiči. Ta proces zaskoka pomnoži količino shranjene energije, ki je na voljo za sprožitev morebitnega skoka. Poleg tega Sutton pravi, da kvadratni presek vzmeti robota omogoča shranjevanje dvakrat več energije kot biološke vzmeti, ki imajo bolj trikotno zasnovo.
Zakaj biološka bitja niso razvila neke sposobnosti, da bi zaskotila z mišicami ali se kako drugače premaknila višje, dlje in hitreje?
Mišice so evolucijsko zelo stare; med žuželkami in ljudmi se ne razlikujejo tako zelo. "Mišice smo dobili od naših pra-pra-pra-pra-pra-pra-pra prednikov brez hrbtenice," je dejal Sutton. "Spreminjanje osnovnih lastnosti bitov je res težko za evolucijo."
Če bi bilo več evolucijskega pritiska, da bi skočili res visoko, "predvidevam, da bi razvili res visoke skakalce," je dejal Charlie Xiao, doktorski študent in soavtor s Keeley in drugimi pri novi študiji robotov. Toda žabe, kobilice in ljudje morajo biti zgrajeni ne le za skakanje, temveč za razmnoževanje, iskanje hrane, ubežanje plenilcem in za vse ostalo, kar življenje zahteva.
Richard Essner, profesor bioloških znanosti na univerzi Southern Illinois Edwardsville, je pojasnil, kako lahko ti kompromisi delujejo. Ni veliko situacij, ko bi si želeli skočiti naravnost, je dejal. Najpogosteje, ko žabe in druga majhna bitja potrebujejo moč skoka, je to zato, ker poskušajo ubežati plenilcu za njimi. Nato želi žaba na hitro postaviti čim večjo razdaljo med seboj in plenilcem. Žaba bo verjetno zmanjšala svoj vzletni kot in izravnala svojo pot, da bo skočila dlje in ne višje - vendar verjetno ne najdlje, kar lahko, saj skok na varno običajno vključuje vrsto skokov. Večina žab v zraku skrči noge pod telo, tako da so v trenutku, ko pristanejo, pripravljene na ponoven skok.
Presenetljivo ni vedno pritisk naravne selekcije, da bi po velikem skoku pravilno pristali. Pred kratkim v Znanost Predplačila, Essner in njegova ekipa so poročali, da dvoživke, imenovane bučne žabe, od katerih so nekatere manjše od konice nabrušenega svinčnika, skoraj vedno strmoglavijo, ko skočijo. Njihova majhna velikost je vzrok njihove težave: tako kot druge živali tudi žabe dobijo občutek za ravnotežje iz vestibularnega sistema v svojem notranjem ušesu. Toda ker je njihov vestibularni sistem majhen, je razmeroma neobčutljiv na kotni pospešek, zaradi česar so žabe slabo opremljene, da bi se prilagodile prevrnitvi med skokom.
Niso edini, ki slabo pristajajo: tudi kobilice so "preprosto grozne pri tem", je dejal Sutton.
V projektu, ki ga vodi podiplomska študentka Chloe Goode, Suttonova skupina trenutno preučuje, zakaj se kobilice med skoki nenadzorovano vrtijo. V svojih poskusih so žuželke opremili z majhnimi obteženimi cilindri, da so jim premaknili težišče. Raziskovalci so ugotovili, da je bilo to dovolj, da se kobilicam prepreči vrtenje v zraku, kar bi teoretično lahko dalo kobilicam večji nadzor nad njihovim pristankom. Sutton in njegova ekipa nimajo pojma, zakaj se žuželke niso razvile z malo večjo težo v glavi za to stabilnost.
Toda medtem ko se strmoglavljenje zdi nevarno za nas kot razmeroma masivna bitja, ki jim grozi zlom kosti, je za manjša bitja manj problematično. "To je pojav skaliranja," je dejal Essner. Z naraščajočo velikostjo se telesna masa povečuje hitreje kot površina prečnega prereza podpornih kosti, kar določa njihovo moč, je dejal. V primerjavi s slonom ima miška veliko kosti, ki podpirajo njeno minimalno maso.
Essner je dejal, da majhna bitja "preprosto ne utrpijo nobene škode zaradi padcev". Morda ni bil dovolj močan selekcijski pritisk, ki bi prisilil kobilice in buče, da razvijejo sposobnost pravilnega pristajanja, kar jih je osvobodilo, da razvijejo druge sposobnosti, pomembnejše za njihovo preživetje, je dodal Essner.
Ponovno razmišljanje o mejah
Robot ekipe Hawkes doživlja svojo lastno evolucijo. Raziskovalci sodelujejo z Naso, da bi svojo napravo razvili v popolnoma delujočega robota, ki bi lahko zbiral vzorce v drugih svetovih z uporabo nadzorovanih skokov za hitro prečkanje velikih razdalj. Na Luni, kjer ni atmosfere, zračnega upora in le šestina Zemljine gravitacije, bi lahko robot teoretično skočil več kot 400 metrov, je dejal Xiao. Upajo, da ga bodo v naslednjih petih letih izstrelili na Luno.
In če obstaja življenje na drugih planetih, nas lahko nauči novih stvari o skakanju. Pri nižji gravitaciji bi skakanje lahko postalo lažje in hitrejše kot letenje, tako da bi organizmi lahko razvili "Mariove skakalne like," je dejal Sutton.
Nezemljansko življenje ima morda tudi mišice, ki delujejo drugače, morda s svojimi rešitvami za shranjevanje energije, podobnimi raglji. "Mogoče imajo res smešne biomehanske strukture, [take], da lahko shranjujejo energijo na veliko bolj zapleten način," je dejal St. Pierre.
Toda tudi na Zemlji živali še naprej presenečajo raziskovalce. Kot je pokazala ena opozorilna študija, največja skakalna zmogljivost živali ni vedno to, kar si mislimo.
Vsako leto okrožje Calaveras v Kaliforniji gosti jubilej Jumping Frog, ki ga navdihuje Slavna kratka zgodba Marka Twaina. Na teh sejmih so poročali, da so volovske žabe skočile 2 metra vodoravno, kar je "divje izven področja tega, kar bi moralo biti", je rekel Henry Astley, docent na Univerzi v Akronu. V preteklosti je bilo znano, da žabe skočijo največ približno 1.3 metra. Tako je pred približno desetletjem, ko je Astley začel z doktorskim delom, odpotoval v Kalifornijo, da bi rešil to vprašanje.
Ob jubileju so si s sodelavci najeli žabe, pojedli lijaka in se lotili dela. Z analizo podatkov o žabjih skokih tekmovalnih ekip in članov splošne javnosti so odkrili, da poročila niso pretiravanje. Več kot polovica skokov, ki so jih zabeležili, je bila daljših od tistih v literaturi. Sčasoma so spoznali (in kasneje podrobno v tem, kar Sutton imenuje "najboljši dokument o skakanju, kar jih je bilo kdaj napisano"), da je bil vsaj del razloga za neskladje ta, da so motivi žab različni. V zunanjem okolju tekmovanja okrožja Calaveras so se žabe bale "žabjih džokejev", ljudi, ki so s celim telesom izvajali izpadne korake proti žabam pri visokih hitrostih. Toda v laboratoriju, kjer tako dramatični gibi niso bili običajni, se žabe niso nikogar bale; le želeli so, da jih pustijo pri miru.
