หุ่นยนต์ทำลายสถิติเน้นว่าสัตว์เก่งแค่ไหนในการกระโดด

ในฤดูร้อนปี 2021 Chris Keeley ซึ่งขณะนั้นเป็นนักศึกษาปริญญาตรีในมหาวิทยาลัยใกล้เคียงบนยอดหน้าผาชายฝั่งซานตาบาร์บารา รัฐแคลิฟอร์เนีย นั่งหมอบเพื่อดึงมัดโลหะและยางออกจากกระเป๋าเป้ มันเป็นหุ่นยนต์ซึ่งเขาใช้เวลาหลายนาทีในการไขลาน

เมื่อเขาทำเสร็จแล้ว เขาบันทึกสถิติด้วยกล้อง iPhone ของเขาและเฝ้าดูหุ่นยนต์พุ่งตัวขึ้นไปในอากาศ วาดส่วนโค้งสูงบนท้องฟ้าและลงจอดใกล้กับเท้าของเขาอย่างเรียบร้อย คีลีย์โล่งใจ การทดสอบกระโดดหลายครั้งก่อนหน้านี้ล้มเหลว ไม่นานหลังจากนั้นในคืนนั้นเมื่อเขากลับมาที่ห้องนอนและดาวน์โหลดข้อมูลการกระโดดลงในแล็ปท็อปของเขา เขาก็รู้ว่ามันใช้งานได้ดีเพียงใด

จัมเปอร์มีความสูงเป็นประวัติการณ์ประมาณ 32.9 เมตร โดย Keeley และผู้ร่วมงานของเขา นำโดย เอลเลียต ฮอว์กส์นักวิจัยด้านวิศวกรรมเครื่องกลจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานตา บาร์บารา รายงานในเดือนเมษายน in ธรรมชาติ. ไม่เพียงแต่มันจะกระโดดได้สูงกว่าหุ่นยนต์ทดลองตัวอื่นๆ ที่สร้างขึ้นสำหรับภารกิจนั้นถึงสามเท่าเท่านั้น แต่ยังกระโดดได้สูงกว่าสิ่งมีชีวิตอื่นๆ ในอาณาจักรสัตว์ถึง 14 เท่า เป็นไปได้ว่าหุ่นยนต์ของพวกเขากระโดดได้สูงกว่าที่เคยมีมาบนโลก

“ฉันคิดว่านี่เป็นหนึ่งในหุ่นยนต์ไม่กี่ตัวที่ทำได้ดีกว่าชีววิทยาจริง ๆ และวิธีที่มันทำได้ดีกว่าชีววิทยาก็ฉลาดอย่างเหลือเชื่อ” กล่าว ไรอัน เซนต์ ปิแอร์ผู้ช่วยศาสตราจารย์ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกลและการบินและอวกาศของมหาวิทยาลัยบัฟฟาโลที่ไม่เกี่ยวข้องกับการศึกษา

ความสำเร็จของหุ่นยนต์เน้นย้ำถึงข้อจำกัดทางกายภาพที่จัมเปอร์ชีวภาพต้องเผชิญในป่า แม้ว่าข้อจำกัดเหล่านี้จะทำให้มนุษย์ไม่สามารถกระโดดไปที่ร้านขายของชำราวกับว่าพวกเขาอยู่บนไม้ pogo และป้องกันไม่ให้กบตกลงมาจากก้อนเมฆ ชีววิทยาได้เกิดขึ้นกับวิธีแก้ปัญหาที่แยบยลของตัวเองที่ผลักดันความสูงและความยาวของการกระโดดให้ไกลที่สุดเท่าที่จะทำได้ ผ่านการปรับแต่งทางชีวกลศาสตร์เล็กๆ น้อยๆ ที่ปรับให้เหมาะกับความต้องการในการกระโดดของสัตว์แต่ละตัว

แม้แต่วิศวกรที่อยู่เบื้องหลังจัมเปอร์ที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในโลกก็ยังรู้สึกกลัวการออกแบบของชีววิทยา ตอนนี้ "ทุกที่ที่ฉันมองฉันเห็นการกระโดด" คีลีย์กล่าว “ฉันช่วยตัวเองไม่ได้”

กฏของการกระโดด

นักวิจัยเขียนว่าการกระโดดเป็นการเคลื่อนไหวที่เกิดจากการใช้แรงกับพื้นโดยไม่สูญเสียมวลใดๆ ดังนั้นจรวดซึ่งสูญเสียเชื้อเพลิงเมื่อยิงหรือลูกธนูที่ออกจากคันธนูจะไม่นับ

กล้ามเนื้อเป็นกลไกทางชีวภาพที่ให้พลังงานสำหรับการเคลื่อนไหว ในการกระโดด คุณต้องหมอบลง เกร็งน่องและกล้ามเนื้ออื่นๆ ซึ่งเป็นกระบวนการที่แปลงพลังงานเคมีที่มีอยู่ในกล้ามเนื้อเป็น พลังงานกล. เส้นเอ็น เนื้อเยื่อยืดที่เชื่อมต่อกล้ามเนื้อกับโครงกระดูก ส่งพลังงานกลนั้นไปยังกระดูก ซึ่งใช้พลังงานนั้นดันพื้นเพื่อขับเคลื่อนร่างกายให้สูงขึ้น

การกระโดดทำงานในลักษณะที่คล้ายคลึงกันอย่างน่าประหลาดใจในขนาดและเกล็ดในอาณาจักรสัตว์ — แต่ความไม่ชอบมาพากลของการออกแบบทางชีวกลศาสตร์บางอย่างทำให้สิ่งมีชีวิตบางชนิดสามารถก้าวข้ามขีดจำกัดทางชีววิทยาได้ พลังของการกระโดดเทียบเท่ากับพลังงานที่มีให้กับกลไกการกระโดดต่อหน่วยเวลาระหว่างการผลักออก ยิ่งกล้ามเนื้อของคุณสร้างพลังงานมากขึ้นและคุณลุกจากพื้นได้เร็วเท่าไหร่ การกระโดดก็จะยิ่งมีพลังมากขึ้นเท่านั้น

แต่เมื่อสัตว์มีขนาดเล็กลง ขาของพวกมันก็จะสั้นลงและสัมผัสกับพื้นในเวลาน้อยลงในระหว่างการปล่อย ดังนั้นพวกเขาจึงต้องสามารถปลดปล่อยพลังงานเพื่อกระโดดอย่างกระทันหัน สำหรับสิ่งมีชีวิตขนาดเล็กเหล่านี้ ธรรมชาติได้คิดค้นวิธีแก้ปัญหา: เก็บพลังงานการกระโดดส่วนใหญ่ไว้ในเนื้อเยื่อที่มีความยืดหยุ่นสูงซึ่ง ทำงานเป็นน้ำพุชีวภาพ, อธิบาย เกร็ก ซัตตันศาสตราจารย์และนักวิจัยที่มหาวิทยาลัยลินคอล์นในอังกฤษ

เมื่อย้อนกลับไปที่ความยาวเดิม สปริงสามารถปลดปล่อยพลังงานที่เก็บสะสมไว้ได้เร็วกว่าที่กล้ามเนื้อจะทำได้ ซึ่งจะเป็นการเพิ่มพลังสำหรับการกระโดด เป็นผลให้จัมเปอร์ที่ดีที่สุดในโลกทางชีววิทยาคือตัวที่ใช้สปริง

ตัวอย่างเช่น ตั๊กแตนเก็บพลังงานของกล้ามเนื้อขาหลังไว้ในสปริงที่ข้อต่อ สปริงเหล่านั้นซึ่งดูเหมือนถั่วลิมาทำให้ตั๊กแตนเพิ่มพลังต่อหน่วยมวล 20 ถึง 40 เท่าในการก้าวกระโดดมากกว่าที่กล้ามเนื้อมนุษย์ทำได้ แม้ว่าพลังทั้งหมดของตั๊กแตนจะน้อยกว่าที่มนุษย์สร้างขึ้นอย่างมาก แต่ความหนาแน่นของพลังงานหรือกำลังต่อหน่วยของมวลนั้นสูงกว่ามาก ผลก็คือ ตั๊กแตนสามารถกระโดดได้สูงประมาณ 0.5 เมตร ซึ่งโดยเฉลี่ยแล้วมนุษย์สามารถกระโดดได้ แต่ยาวกว่าตั๊กแตนหลายสิบเท่า

การเพิ่มพลังที่ตั๊กแตนได้รับจากสปริงของพวกมันจะจางลงเมื่อเปรียบเทียบกับสิ่งที่จัมเปอร์ตัวเล็ก ๆ ตัวอื่นสามารถรวบรวมได้ หมัดสามารถบรรลุความหนาแน่นของพลังงาน 80 ถึง 100 เท่าของกล้ามเนื้อมนุษย์ ในขณะที่แมลงที่เรียกว่า froghoppers สามารถสร้าง 600 ถึง 700 เท่าได้มาก ความลับของกบกระโดดคือสปริงสำหรับเก็บพลังงานการกระโดดอยู่ในทรวงอก ระยะห่างที่เพิ่มขึ้นสำหรับการหดตัวของกล้ามเนื้อช่วยให้ส่งกำลังได้มากขึ้น “มันเหมือนกับว่ากล้ามเนื้อสะโพกของคุณ แทนที่จะยึดติดกับกระดูกเชิงกราน ติดกับไหล่ของคุณ” ซัตตันกล่าว

สัตว์บางชนิด เช่น จิงโจ้ ไม่มีสปริงแยกในการออกแบบทางชีวกลศาสตร์ แต่พวกมันมีระบบกล้ามเนื้อที่ยืดหยุ่นกว่า เช่น เส้นเอ็นที่เก็บพลังงานไว้มากสำหรับการกระโดดให้สูงขึ้น ยกตัวอย่างเช่น กาลาโกที่น้อยกว่า — ซุปเปอร์สตาร์จัมเปอร์ท่ามกลางสัตว์มีกระดูกสันหลัง — มีเอ็นที่ยืดได้มากซึ่งสามารถกระโดดได้สูงมากกว่า 2 เมตร และสูงถึง 12 เท่าของความยาวลำตัว (เส้นเอ็นของมนุษย์เก็บพลังงานไว้เล็กน้อยและสามารถทำหน้าที่เหมือนสปริง แต่ก็ไม่ได้ผลจากระยะไกลเท่าแบบสปริงเกอร์ในสัตว์อื่นๆ)

ratcheting

เป็นเวลาอย่างน้อยครึ่งศตวรรษที่นักวิจัยได้วิเคราะห์ประสิทธิภาพของจัมเปอร์ชีวภาพที่น่าทึ่งเหล่านี้เพื่อแจ้งการออกแบบจัมเปอร์เชิงกล แต่การศึกษาใหม่นี้อาจเป็นครั้งแรกที่วิศวกรผู้ออกแบบจัมเปอร์เครื่องกลได้ตระหนักว่า "คุณไม่จำเป็นต้องทำในสิ่งที่ชีววิทยากำลังทำอยู่" กล่าว ชีล่า ปาเต็กศาสตราจารย์ด้านชีววิทยาที่มหาวิทยาลัยดุ๊ก

หุ่นยนต์ตัวใหม่นี้ทำสถิติกระโดดสูงด้วยการเอาชนะข้อจำกัดในการออกแบบทางชีววิทยาและทำในสิ่งที่สัตว์ทำไม่ได้ “กล้ามเนื้อไม่สามารถหมุนวงล้อได้” ซัตตันกล่าว แม้ว่ากล้ามเนื้อจะถ่ายเทพลังงานจากการหดตัวไปยังสปริงที่ยึดติด เมื่อยืดออกอีกครั้ง พลังงานนั้นก็จะถูกปลดปล่อยออกมา พลังงานที่มีอยู่ในการกระโดดจึงถูกจำกัดอยู่ที่กล้ามเนื้องอเดียวสามารถให้ได้

แต่สำหรับหุ่นยนต์ไขลาน สลักยึดสปริงที่ยืดออกให้อยู่ในตำแหน่งระหว่างการเคลื่อนที่ของข้อเหวี่ยง ดังนั้นพลังงานที่สะสมไว้จึงยังคงสะสมอยู่ กระบวนการหมุนวงล้อนี้จะเพิ่มปริมาณพลังงานที่เก็บไว้ที่มีอยู่สำหรับการเริ่มกระโดดในที่สุด นอกจากนี้ ซัตตันยังกล่าวอีกว่า สปริงหน้าตัดสี่เหลี่ยมจัตุรัสของหุ่นยนต์ช่วยให้เก็บพลังงานได้มากเป็นสองเท่าของสปริงชีวภาพ ซึ่งมีการออกแบบเป็นรูปสามเหลี่ยมมากกว่า

ทำไมสิ่งมีชีวิตทางชีววิทยาไม่พัฒนาความสามารถในการหมุนวงล้อของกล้ามเนื้อหรือขยับตัวเองให้สูงขึ้น ไกลขึ้น และเร็วขึ้น?

กล้ามเนื้อมีวิวัฒนาการที่เก่ามาก พวกมันไม่ได้แตกต่างกันมากนักระหว่างแมลงกับมนุษย์ “เราได้กล้ามเนื้อมาจากบรรพบุรุษกระดูกสันหลังที่ไม่มีกระดูก “การเปลี่ยนคุณสมบัติพื้นฐานของบิตนั้นยากสำหรับวิวัฒนาการ”

หากมีแรงกดดันจากวิวัฒนาการมากขึ้นในการกระโดดให้สูงมาก "ฉันเดาว่าเราน่าจะพัฒนานักกระโดดสูงจริงๆ" . กล่าว ชาร์ลี เสี่ยวนักศึกษาปริญญาเอกและผู้เขียนร่วมกับ Keeley และคนอื่นๆ เกี่ยวกับการศึกษาหุ่นยนต์แบบใหม่ แต่กบ ตั๊กแตน และมนุษย์จะต้องถูกสร้างขึ้นไม่เพียงเพื่อกระโดด แต่สำหรับการขยายพันธุ์ การหาอาหาร หลบหนีผู้ล่า และทำทุกอย่างที่ชีวิตต้องการ

ริชาร์ด เอสเนอร์ศาสตราจารย์ด้านวิทยาศาสตร์ชีวภาพที่ Southern Illinois University Edwardsville อธิบายว่าการแลกเปลี่ยนเหล่านี้สามารถทำงานได้อย่างไร มีหลายสถานการณ์ที่คุณต้องการกระโดดขึ้นตรงๆ เขากล่าว บ่อยครั้งเมื่อกบและสิ่งมีชีวิตขนาดเล็กอื่นๆ ต้องการพลังในการกระโดด เป็นเพราะพวกมันพยายามหนีผู้ล่าที่อยู่ข้างหลังพวกมัน จากนั้นกบต้องการวางระยะห่างระหว่างตัวมันกับผู้ล่าให้มากที่สุดอย่างรวดเร็ว กบมีแนวโน้มที่จะลดมุมการบินขึ้น ทำให้วิถีของมันแบนเพื่อกระโดดให้ไกลมากกว่าสูง — แต่อาจไม่ได้ไกลที่สุดเท่าที่จะทำได้ เพราะการกระโดดอย่างปลอดภัยมักเกี่ยวข้องกับการกระโดดหลายครั้ง กบส่วนใหญ่จะพับขาไว้ใต้ลำตัวกลางอากาศเพื่อให้ทันทีที่ร่อนลงสู่พื้น พวกมันก็พร้อมที่จะกระโดดอีกครั้ง

น่าแปลกที่ไม่มีแรงกดดันจากการคัดเลือกโดยธรรมชาติให้ลงจอดอย่างเหมาะสมหลังจากการกระโดดครั้งใหญ่ เมื่อเร็ว ๆ นี้ วิทยาศาสตร์ก้าวหน้าเอสเนอร์และทีมของเขารายงานว่าสัตว์ครึ่งบกครึ่งน้ำเรียกว่าฟักทองคางคก ซึ่งบางตัวมีขนาดเล็กกว่าปลายดินสอที่แหลมคม เกือบจะชนพื้นเสมอเมื่อกระโดด ขนาดที่เล็กของพวกมันอยู่ที่ต้นตอของปัญหา เช่นเดียวกับสัตว์อื่นๆ กบมีความรู้สึกสมดุลจากระบบขนถ่ายในหูชั้นในของพวกมัน แต่เนื่องจากระบบขนถ่ายของพวกมันมีขนาดเล็ก มันจึงค่อนข้างไม่ไวต่อความเร่งเชิงมุม ทำให้กบไม่มีความพร้อมในการปรับตัวสำหรับการล้มระหว่างการกระโดด

พวกมันไม่ได้ขึ้นฝั่งอย่างโดดเดี่ยว แต่ตั๊กแตนก็ "แย่มาก" ซัตตันกล่าว

ในโครงการที่นำโดยนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา Chloe Goode กลุ่มของ Sutton กำลังศึกษาสาเหตุที่ตั๊กแตนหมุนอย่างควบคุมไม่ได้ระหว่างการกระโดด ในการทดลอง พวกเขาติดตั้งแมลงด้วยหมวกทรงสูงขนาดเล็กถ่วงน้ำหนักเพื่อเปลี่ยนจุดศูนย์ถ่วงของพวกมัน นักวิจัยพบว่าสิ่งนี้เพียงพอแล้วที่จะหยุดไม่ให้ตั๊กแตนหมุนไปในอากาศ ซึ่งในทางทฤษฎีแล้วอาจทำให้ตั๊กแตนควบคุมการลงจอดได้มากขึ้น ซัตตันและทีมของเขาไม่รู้ว่าทำไมแมลงถึงไม่มีวิวัฒนาการโดยมีน้ำหนักในหัวเพิ่มขึ้นเล็กน้อยเพื่อความมั่นคงนั้น

แต่ในขณะที่การชนกันนั้นฟังดูอันตรายสำหรับเราในฐานะสิ่งมีชีวิตขนาดค่อนข้างใหญ่ที่เสี่ยงต่อการแตกหักของกระดูก แต่ก็ไม่มีปัญหาสำหรับสิ่งมีชีวิตขนาดเล็กกว่า “มันเป็นปรากฏการณ์การปรับขนาด” Essner กล่าว ด้วยขนาดที่เพิ่มขึ้น มวลกายจะเพิ่มขึ้นเร็วกว่าพื้นที่หน้าตัดของกระดูกรองรับ ซึ่งเป็นตัวกำหนดความแข็งแรงของกระดูก เมื่อเทียบกับช้าง หนูมีกระดูกจำนวนมากที่ค้ำจุนมวลของมันให้น้อยที่สุด

สิ่งมีชีวิตขนาดเล็ก “ไม่ได้รับความเสียหายจากการหกล้ม” Essner กล่าว อาจไม่มีแรงกดดันในการเลือกมากพอที่จะทำให้ตั๊กแตนและลูกคางคกฟักทองพัฒนาความสามารถในการลงจอดอย่างเหมาะสม ซึ่งทำให้พวกมันสามารถพัฒนาความสามารถอื่นๆ ที่สำคัญกว่าสำหรับการเอาชีวิตรอดของพวกเขาได้ Essner กล่าวเสริม

ทบทวนขีดจำกัด

หุ่นยนต์ของทีม Hawkes กำลังอยู่ระหว่างวิวัฒนาการของตัวเอง นักวิจัยกำลังทำงานร่วมกับ NASA เพื่อพัฒนาอุปกรณ์ของพวกเขาให้กลายเป็นหุ่นยนต์ที่ทำงานได้อย่างสมบูรณ์ซึ่งสามารถเก็บตัวอย่างจากโลกอื่นได้โดยใช้การควบคุมการกระโดดเพื่อเคลื่อนที่ในระยะทางไกลอย่างรวดเร็ว บนดวงจันทร์ซึ่งไม่มีบรรยากาศ ไม่มีแรงดึงดูดของอากาศ และมีเพียงหนึ่งในหกของแรงโน้มถ่วงโลก หุ่นยนต์สามารถกระโดดได้ในทางทฤษฎีมากกว่า 400 เมตร เซียวกล่าว ความหวังของพวกเขาคือการส่งมันไปยังดวงจันทร์ในอีกห้าปีข้างหน้า

และหากมีสิ่งมีชีวิตบนดาวดวงอื่น มันอาจจะมีสิ่งใหม่ๆ ที่จะสอนเราเกี่ยวกับการกระโดด ที่แรงโน้มถ่วงต่ำ การกระโดดอาจทำได้ง่ายและเร็วกว่าการบิน ดังนั้นสิ่งมีชีวิตอาจมีวิวัฒนาการ “ตัวละครกระโดดเหมือนมาริโอ” ซัตตันกล่าว

ชีวิตมนุษย์ต่างดาวอาจมีกล้ามเนื้อที่ทำงานต่างไปจากเดิม อาจมีวิธีแก้ปัญหาเหมือนวงล้อในการจัดเก็บพลังงาน "บางทีพวกมันอาจมีโครงสร้างทางชีวกลศาสตร์ที่ไร้สาระ [เช่น] ที่พวกเขาสามารถเก็บพลังงานในรูปแบบที่ซับซ้อนมากขึ้น" เซนต์ปิแอร์กล่าว

แต่แม้กระทั่งบนโลก สัตว์ต่างๆ ยังคงสร้างความประหลาดใจให้กับนักวิจัย จากการศึกษาเตือนหนึ่งพบว่า ประสิทธิภาพการกระโดดสูงสุดของสัตว์ไม่ใช่สิ่งที่เราคิดเสมอไป

ทุกปี Calaveras County, California เป็นเจ้าภาพ Jumping Frog Jubilee ที่ได้รับแรงบันดาลใจจาก เรื่องสั้นที่โด่งดังของ Mark Twain. ในงานแสดงสินค้าเหล่านี้ มีรายงานว่ากบบูลฟรอกกระโดด 2 เมตรในแนวนอน “อยู่นอกขอบเขตที่ควรจะเป็นอย่างดุเดือด” กล่าว เฮนรี แอสต์ลีย์ผู้ช่วยศาสตราจารย์แห่งมหาวิทยาลัยแอครอน ก่อนหน้านี้กบอึ่งเคยกระโดดได้ไม่เกิน 1.3 เมตร ประมาณหนึ่งทศวรรษที่แล้ว เมื่อ Astley เริ่มงานระดับปริญญาเอกของเขา เขาเดินทางไปแคลิฟอร์เนียเพื่อแก้ไขปัญหา

ในงานกาญจนาภิเษก เขาและเพื่อนร่วมงานเช่ากบ กินเค้กกรวย และไปทำงาน โดยการวิเคราะห์ข้อมูลกบกระโดดจากทีมแข่งขันและสมาชิกจากประชาชนทั่วไป พวกเขาพบว่ารายงานไม่ได้เกินจริง มากกว่าครึ่งหนึ่งของการกระโดดที่พวกเขาบันทึกไว้นั้นไกลกว่าในวรรณคดี ในที่สุดพวกเขาก็ตระหนัก (และ รายละเอียดในภายหลัง ในสิ่งที่ซัตตันเรียกว่า "กระดาษกระโดดที่ยิ่งใหญ่ที่สุดเท่าที่เคยเขียนมา") อย่างน้อยส่วนหนึ่งของสาเหตุของความคลาดเคลื่อนก็คือแรงจูงใจของกบต่างกัน ในสภาพแวดล้อมกลางแจ้งของการแข่งขัน Calaveras County กบกลัว "กบกบ" ผู้คนที่พุ่งเข้าหากบด้วยความเร็วสูงทั้งตัว แต่ในห้องแล็บ ที่ซึ่งการเคลื่อนไหวอันน่าทึ่งนั้นไม่ธรรมดา กบไม่เคยกลัวใครเลย พวกเขาเพียงต้องการถูกทิ้งให้อยู่ตามลำพัง