Sommaren 2021, på toppen av kustklipporna i Santa Barbara, Kalifornien, hukade Chris Keeley, då en student vid det närliggande universitetet, för att dra en bunt metall och gummi ur sin ryggsäck. Det var en robot som han ägnade flera minuter åt att avveckla.
När han var klar slog han rekord på sin iPhones kamera och såg roboten lansera sig högt upp i luften, rita en hög båge på himlen och landa prydligt nära hans fötter. Keeley var lättad; många tidigare testhopp hade misslyckats. Det var inte förrän senare på natten när han återvände till sitt sovrum och laddade ner hoppdata till sin bärbara dator som han insåg hur bra det hade fungerat.
Hopparen hade nått en rekordhöjd på cirka 32.9 meter, då Keeley och hans medarbetare, ledda av Elliot Hawkes, en maskinteknisk forskare vid University of California, Santa Barbara, rapporterade i april in Natur. Den hade inte bara hoppat mer än tre gånger högre än andra experimentella robotar konstruerade för den uppgiften, den hade hoppat mer än 14 gånger högre än någon annan varelse i djurriket. Med all sannolikhet hoppade deras robot högre än något någonsin på jorden.
"Jag tror att det här är en av de mycket få robotarna som faktiskt överträffar biologin, och sättet som den överträffar biologin är otroligt smart," sa Ryan St. Pierre, en biträdande professor vid avdelningen för mekanisk och rymdteknik vid University of Buffalo som inte var involverad i studien.
Robotens framgång belyser de fysiska begränsningarna som biologiska hoppare möter i det vilda. Även om dessa begränsningar hindrar människor från att hoppa till mataffären som om de är på pogo-pinnar och förhindrar grodor från att falla ur molnen, har biologin kommit på sina egna geniala lösningar som pressar hopphöjden och längden så långt de kan gå. , genom små biomekaniska justeringar skräddarsydda för varje djurs hoppbehov.
Till och med ingenjörerna bakom världens största hoppare är fortfarande förundrade över biologins egna design. Nu, "vart jag än tittar ser jag hoppa," sa Keeley. "Jag kan inte hjälpa mig själv."
Hopphandlingen
Ett hopp är en rörelse som orsakas av att kraft appliceras på marken utan att någon massa går förlorad, skrev forskarna; alltså en raket, som förlorar bränsle vid uppskjutning, eller en pil, som lämnar sin båge, räknas inte.
Muskler är de biologiska motorerna som ger energi för rörelser. För att hoppa hukar du ner dig och drar ihop dina vader och andra muskler, en process som omvandlar kemisk energi som finns i musklerna till mekanisk energi. Senor, stretchiga vävnader som förbinder muskler med skelettet, överför den mekaniska energin till benen, som använder den energin för att trycka mot marken för att driva kroppen uppåt.
Hoppning fungerar på förvånansvärt liknande sätt över storlekar och skalor i djurriket - men vissa biomekaniska designegenskaper tillåter vissa varelser att tänja på de biologiska gränserna. Kraften i ett hopp motsvarar hur mycket energi som är tillgänglig för hoppmekanismen per tidsenhet under push-off. Ju mer energi dina muskler genererar och ju snabbare du kommer upp från marken, desto kraftfullare blir hoppet.
Men när djuren blir mindre blir deras ben kortare och är i kontakt med marken under kortare tid under lanseringen. De behöver därför kunna frigöra energin för ett hopp med explosiv plötslighet. För dessa mindre varelser kom naturen på en kreativ lösning: att lagra det mesta av hoppenergin i mycket elastiska vävnader som fungerar som biologiska källor, förklarade Greg Sutton, professor och forskare vid University of Lincoln i England.
När de snäpper tillbaka till sin ursprungliga längd kan fjädrarna frigöra den lagrade energin mycket snabbare än musklerna kan, vilket ökar kraften tillgänglig för hoppet. Som ett resultat är några av de allra bästa hopparna i den biologiska världen de som använder fjädrar.
Till exempel lagrar en gräshoppa energin från sina bakbensmuskler i fjädrar som ligger på lederna. Dessa fjädrar, som ser ut som limabönor, gör att gräshoppan kan lägga 20 till 40 gånger mer kraft per massaenhet i sitt språng än vad en mänsklig muskel kan. Även om gräshoppans totala kraft är mycket mindre än en hoppande människa genererar, är dess krafttäthet, eller kraft per massaenhet, mycket högre. Som ett resultat kan gräshoppan hoppa till en höjd av cirka 0.5 meter - samma i genomsnitt som människor kan, men dussintals gånger gräshoppans kroppslängd.
Kraftökningen som gräshoppor får från sina fjädrar bleknar i jämförelse med vad vissa andra små hoppare kan uppbringa. Loppor kan uppnå 80 till 100 gånger krafttätheten av mänskliga muskler, medan insekterna som kallas grodhoppare kan generera 600 till 700 gånger så mycket. Grodhopparnas hemlighet är att deras fjäder för att lagra hoppenergi finns i bröstkorgen; det extra avståndet för muskelkontraktion möjliggör leverans av mer kraft. "Det skulle vara som om dina höftmuskler, istället för att fästa vid bäckenet, fästa vid dina axlar," sa Sutton.
Vissa djur, som kängurur, har inte separata fjädrar i sin biomekaniska design, men de har mer elastiska muskelsystem, såsom senor som lagrar mycket energi för att hoppa högre. Den mindre galagon, till exempel - en superstjärnhoppare bland ryggradsdjur - har extremt stretchiga senor med vilka den kan hoppa mer än 2 meter hög och upp till 12 gånger sin kroppslängd. (Människa senor lagrar lite energi och kan fungera som fjädrar, men de är inte så effektiva som de fjädrande versionerna hos andra djur.)
spärr
I minst ett halvt sekel har forskare analyserat prestandan hos några av dessa fantastiska biologiska hoppare för att informera om deras design av mekaniska hoppare. Men den här nya studien kan markera första gången som ingenjörer som designar mekaniska byglar har insett att "du behöver inte göra det som biologin gör," sa Sheila Patek, professor i biologi vid Duke University.
Den nya roboten nådde rekordhopphöjder genom att övervinna en begränsning av biologisk design och göra det som djur inte kan. "Muskler kan inte spärra," sa Sutton. Även om muskler överför energin från sin sammandragning till en fäst fjäder, frigörs den energin när de förlängs igen. Energin som är tillgänglig för att köra ett hopp är därför begränsad till vad en muskel kan ge.
Men i upprullningsroboten håller en spärr den sträckta fjädern på plats mellan vevrörelserna, så lagrad energi fortsätter att byggas upp. Denna spärrprocess multiplicerar mängden lagrad energi som är tillgänglig för att starta det eventuella hoppet. Dessutom, sa Sutton, gör det kvadratiska tvärsnittet av robotens fjäder det möjligt att lagra dubbelt så mycket energi som biologiska fjädrar, som har en mer triangulär design.
Varför utvecklade inte biologiska varelser någon förmåga att spärra sina muskler eller på annat sätt flytta sig högre, längre och snabbare?
Muskler är evolutionärt mycket gamla; de skiljer sig inte så mycket mellan insekter och människor. "Vi fick muskler från våra stora-stora-stora-stora-stora-stora ryggradslösa förfäder," sa Sutton. "Att ändra grundläggande egenskaper hos bitar är verkligen svårt för evolutionen."
Hade det varit mer evolutionärt tryck att hoppa riktigt högt, "jag antar att vi skulle ha utvecklat riktigt höjdhoppare," sa Charlie Xiao, doktorand och medförfattare tillsammans med Keeley och andra på den nya robotstudien. Men grodor, gräshoppor och människor måste byggas inte bara för att hoppa, utan för att fortplanta sig, hitta mat, fly rovdjur och göra allt annat som livet kräver.
Richard Essner, en professor i biologiska vetenskaper vid Southern Illinois University Edwardsville, förklarade hur dessa avvägningar kan fungera. Det finns inte många situationer där du skulle vilja hoppa rakt upp, sa han. Oftast, när grodor och andra små varelser behöver hoppkraft, beror det på att de försöker fly ett rovdjur bakom sig. Då vill grodan snabbt placera så långt avstånd mellan sig själv och rovdjuret som möjligt. Grodan kommer sannolikt att minska sin startvinkel och plana ut sin bana för att hoppa längre i stället för högre - men förmodligen inte så långt den kan, eftersom att hoppa till säkerhet vanligtvis involverar en serie hopp. De flesta grodor viker benen under kroppen i luften så att när de landar är de redo att hoppa igen.
Överraskande nog finns det inte alltid ett naturligt urvalstryck för att landa ordentligt efter ett stort hopp. Nyligen i Vetenskap Förskott, rapporterade Essner och hans team att amfibier som kallas pumpa toadlets, av vilka några är mindre än spetsen på en vässad penna, nästan alltid kraschlandar när de hoppar. Deras lilla storlek är roten till deras problem: Liksom andra djur får grodorna sin känsla av balans från det vestibulära systemet i deras inneröra. Men eftersom deras vestibulära system är litet, är det relativt okänsligt för vinkelacceleration, vilket gör att grodorna är dåligt rustade att anpassa sig för att tumla under ett hopp.
De är inte ensamma om att landa dåligt: Gräshoppor är "bara fruktansvärda på det" också, sa Sutton.
I ett projekt som leds av doktoranden Chloe Goode studerar Suttons grupp för närvarande varför gräshoppor snurrar okontrollerat under sina hopp. I sina experiment utrustade de insekterna med små viktade topphattar för att flytta deras tyngdpunkt. Forskarna fann att detta var tillräckligt för att stoppa gräshopporna från att snurra i luften, vilket i teorin kan ge gräshopporna mer kontroll över sin landning. Sutton och hans team har ingen aning om varför insekterna inte utvecklades med lite mer vikt i huvudet för den stabiliteten.
Men medan en kraschlandning låter farligt för oss som relativt massiva varelser som riskerar att bryta ben, är det mindre problematiskt för mindre varelser. "Det är ett skalningsfenomen," sa Essner. Med ökande storlek ökar kroppsmassan snabbare än tvärsnittsarean av de stödjande benen, vilket bestämmer deras styrka, sa han. Jämfört med en elefant har en mus mycket ben som stödjer sin minimala massa.
Små varelser "upplever bara inga skador från fall", sa Essner. Det kanske inte fanns tillräckligt starkt urvalstryck för att tvinga gräshoppor och pumpapaddor att utveckla förmågan att landa ordentligt, vilket befriade dem att utveckla andra förmågor som är viktigare för deras överlevnad, tillade Essner.
Att tänka om gränserna
Hawkes-teamroboten genomgår en egen utveckling. Forskarna arbetar med NASA för att utveckla sin enhet till en fullt fungerande robot som kan samla in prover på andra världar, med hjälp av kontrollerade hopp för att snabbt korsa långa avstånd. På månen, där det inte finns någon atmosfär, ingen luftmotstånd och bara en sjättedel av jordens gravitation, kan roboten teoretiskt hoppa mer än 400 meter, sa Xiao. Deras förhoppning är att skjuta upp den till månen inom de närmaste fem åren eller så.
Och om det finns liv på andra planeter kan det ha nya saker att lära oss om att hoppa. Vid lägre gravitationer kan det bli lättare och snabbare att hoppa än att flyga, så organismer kan utveckla "Mario-liknande hoppande karaktärer", sa Sutton.
Främmande liv kan också ha muskler som fungerar annorlunda, kanske med sina egna spärrliknande lösningar för energilagring. "Kanske har de verkligen löjliga biomekaniska strukturer, [sådana] att de kan lagra energi på ett mycket mer komplicerat sätt," sa St Pierre.
Men även på jorden fortsätter djur att överraska forskare. Som en försiktig studie visade, är den maximala hoppprestandan för ett djur inte alltid vad vi kan tro.
Varje år är Calaveras County, Kalifornien värd för ett Jumping Frog Jubilee inspirerat av Mark Twains berömda novell. På dessa mässor rapporteras oxgrodor ha hoppat 2 meter horisontellt, "vildt utanför riket av vad det borde vara", sa Henry Astley, en biträdande professor vid University of Akron. Bullgrodor hade tidigare varit kända för att hoppa som mest cirka 1.3 meter. Så för ungefär ett decennium sedan, när Astley påbörjade sitt doktorandarbete, reste han till Kalifornien för att lösa frågan.
På jubileet hyrde han och hans arbetskamrater några grodor, åt lite trattkaka och började jobba. Genom att analysera grodhoppdata från tävlingslag och medlemmar av allmänheten upptäckte de att rapporterna inte var en överdrift. Mer än hälften av hoppen de registrerade var längre än de i litteraturen. De insåg så småningom (och senare detaljerad i vad Sutton kallar "det största hoppande papper som någonsin skrivits") att åtminstone en del av orsaken till diskrepansen var att grodornas motiv skilde sig åt. I utomhusmiljön av Calaveras County-tävlingen var grodorna rädda för "grodjockeys", människor som utförde utfall mot grodorna med hela kroppen i höga hastigheter. Men i labbet, där sådana dramatiska rörelser inte var vanliga, var grodorna inte livrädda för någon; de ville bara bli lämnade ifred.
