2021 yazında, Santa Barbara, California'nın kıyı kayalıklarının tepesinde, o sırada yakındaki üniversitede bir lisans öğrencisi olan Chris Keeley, sırt çantasından bir metal ve kauçuk demeti çıkarmak için çömeldi. Kurmak için birkaç dakika harcadığı bir robottu.
Bitirdiğinde, iPhone'unun kamerasında rekor kırdı ve robotun kendini yükseklere fırlattığını, gökyüzünde uzun bir kavis çizdiğini ve düzgün bir şekilde ayaklarının yanına inişini izledi. Keeley rahatladı; önceki birçok test atlayışı başarısız olmuştu. O gecenin ilerleyen saatlerinde yatak odasına dönüp atlama verilerini dizüstü bilgisayarına indirdiğinde, bunun ne kadar iyi çalıştığını fark etti.
Atlayıcı, Keeley ve işbirlikçileri tarafından yönetilen olarak, yaklaşık 32.9 metrelik rekor bir yüksekliğe ulaşmıştı. Elliot Hawkes, California Üniversitesi, Santa Barbara'da bir makine mühendisliği araştırmacısı, nisanda bildirdi in Tabiat. Bu görev için inşa edilen diğer deneysel robotlardan sadece üç kat daha yükseğe zıplamakla kalmamış, hayvanlar alemindeki diğer herhangi bir yaratıktan da 14 kat daha yükseğe sıçramıştı. Her ihtimalde, robotları Dünya'da hiç olmadığı kadar yükseğe sıçradı.
“Bence bu, biyolojiden daha iyi performans gösteren çok az robottan biri ve biyolojiden daha iyi performans gösterme şekli inanılmaz derecede akıllı” dedi. Ryan Aziz PierreBuffalo Üniversitesi'nde mekanik ve havacılık mühendisliği bölümünde yardımcı doçent olan ve çalışmaya dahil olmayan Dr.
Robotun başarısı, biyolojik jumperların vahşi doğada karşılaştığı fiziksel sınırlamaları vurguluyor. Bu sınırlamalar, insanların zıplama çubukları üzerindeymiş gibi markete atlamasını ve kurbağaların bulutlardan düşmesini engellemesine rağmen, biyoloji, zıplama yüksekliğini ve uzunluğunu gidebildiği kadar zorlayan kendi dahiyane geçici çözümlerini buldu. , her hayvanın atlama ihtiyaçlarına göre uyarlanmış küçük biyomekanik ince ayarlarla.
Dünyanın en büyük atlayıcısının arkasındaki mühendisler bile hala biyolojinin kendi tasarımlarına hayranlık duyuyor. Şimdi, "baktığım her yerde zıpladığını görüyorum" dedi Keeley. "Kendime yardım edemiyorum."
Atlama Hareketi
Araştırmacılar, sıçramanın, herhangi bir kütle kaybı olmaksızın zemine kuvvet uygulanmasının neden olduğu bir hareket eylemi olduğunu yazdı; bu nedenle, fırlatıldığında yakıt kaybeden bir roket veya yayından ayrılan bir ok sayılmaz.
Kaslar, hareketler için enerji sağlayan biyolojik motorlardır. Zıplamak için çömelirsiniz, baldırlarınızı ve diğer kaslarınızı kasarsınız; bu, kaslarda bulunan kimyasal enerjiyi enerjiye dönüştüren bir süreçtir. mekanik enerji. Tendonlar, kasları iskelete bağlayan esnek dokular, bu mekanik enerjiyi, vücudu yukarı doğru itmek için bu enerjiyi yere doğru itmek için kullanan kemiklere iletir.
Zıplama, hayvanlar aleminde şaşırtıcı derecede benzer şekillerde çalışır - ancak bazı biyomekanik tasarım tuhaflıkları, bazı canlıların biyolojik sınırları zorlamasına izin verir. Bir sıçramanın gücü, itme sırasında birim zaman başına atlama mekanizmasına ne kadar enerji verildiğine eşdeğerdir. Kaslarınız ne kadar çok enerji üretir ve yerden ne kadar hızlı kalkarsanız, atlama o kadar güçlü olur.
Ancak hayvanlar küçüldükçe bacakları kısalır ve fırlatma sırasında daha az süre yerle temas halindedir. Bu nedenle, patlayıcı ani bir sıçrama için enerjiyi serbest bırakabilmeleri gerekir. Bu daha küçük canlılar için doğa yaratıcı bir çözüm buldu: Sıçrama enerjisinin çoğunu yüksek esnekliğe sahip dokularda depolamak. biyolojik kaynak olarak çalışmak, açıkladı Greg Sutton, İngiltere'deki Lincoln Üniversitesi'nde profesör ve araştırma görevlisi.
Yaylar, orijinal uzunluklarına geri dönerken, depolanan enerjiyi kaslardan çok daha hızlı serbest bırakabilir, bu da atlama için mevcut gücü artırır. Sonuç olarak, biyolojik dünyadaki en iyi atlayıcılardan bazıları yay kullananlardır.
Örneğin bir çekirge, arka bacak kaslarının enerjisini eklemlerde bulunan yaylarda depolar. Lima fasulyesine benzeyen bu yaylar, çekirgenin sıçramasına insan kasının yapabileceğinden 20 ila 40 kat daha fazla güç koymasını sağlar. Çekirgenin toplam gücü, zıplayan bir insanın ürettiğinden çok daha az olsa da, güç yoğunluğu veya kütle birimi başına güç çok daha yüksektir. Sonuç olarak, çekirge yaklaşık 0.5 metre yüksekliğe sıçrayabilir - ortalama olarak insanlarla aynı, ancak çekirgenin vücut uzunluğunun düzinelerce katı kadar.
Çekirgelerin yaylarından elde ettikleri güç artışı, diğer bazı küçük jumperların toplayabildiğiyle karşılaştırıldığında sönük kalıyor. Pireler, insan kaslarının güç yoğunluğunun 80 ila 100 katına ulaşabilirken, kurbağalar denilen böcekler 600 ila 700 kat daha fazla güç üretebilir. Froghopper'ların sırrı, sıçrama enerjisini depolamak için yaylarının göğüslerinde olmasıdır; kas kasılması için ekstra mesafe daha fazla güç verilmesini sağlar. Sutton, "Sanki kalça kaslarınız pelvisinize bağlanmak yerine omuzlarınıza bağlı gibi olurdu" dedi.
Kanguru gibi bazı hayvanların biyomekanik tasarımlarında ayrı yaylar yoktur, ancak daha yükseğe zıplamak için çok fazla enerji depolayan tendonlar gibi daha esnek kas sistemleri vardır. Örneğin, küçük galago - omurgalılar arasında bir süper yıldız atlayıcısı - 2 metreden daha yükseğe ve vücut uzunluğunun 12 katına kadar sıçrayabilen son derece esnek tendonlara sahiptir. (İnsan tendonları biraz enerji depolar ve yay gibi hareket edebilir, ancak diğer hayvanlardaki daha yaylı versiyonlar kadar uzaktan etkili değildirler.)
cırcırla
En az yarım yüzyıldır araştırmacılar, mekanik jumper tasarımlarını bilgilendirmek için bu şaşırtıcı biyolojik jumperlardan bazılarının performansını analiz ettiler. Ancak bu yeni çalışma, mekanik atlama telleri tasarlayan mühendislerin, "biyolojinin yaptığını yapmanıza gerek olmadığını" ilk kez fark ettikleri anlamına gelebilir. Sheila Patek, Duke Üniversitesi'nde biyoloji profesörü.
Yeni robot, biyolojik tasarımlar üzerindeki bir kısıtlamayı aşarak ve hayvanların yapamadığını yaparak rekor sıçrama yüksekliklerine ulaştı. Sutton, "Kaslar kilitlenemez," dedi. Kaslar, kasılmalarının enerjisini bağlı bir yaya aktarsalar bile, tekrar uzadıklarında o enerji serbest bırakılır. Bu nedenle, bir sıçrama yapmak için mevcut olan enerji, bir kasın tek bir esnekliğinin sağlayabileceği ile sınırlıdır.
Ancak kurmalı robotta, bir mandal, gerilmiş yayı marş hareketleri arasında yerinde tutar, böylece depolanan enerji birikmeye devam eder. Bu kilitleme işlemi, nihai sıçramayı başlatmak için mevcut olan depolanmış enerji miktarını çoğaltır. Ayrıca Sutton, robotun yayının kare kesitinin, daha üçgen bir tasarıma sahip biyolojik yaylardan iki kat daha fazla enerji depolamasına olanak tanıdığını söyledi.
Biyolojik yaratıklar neden kaslarını hareket ettirme ya da kendilerini daha yükseğe, daha uzağa ve daha hızlı hareket ettirmeye yönelik bir yetenek geliştirmediler?
Kaslar evrimsel olarak çok yaşlıdır; böcekler ve insanlar arasında çok fazla farklılık göstermezler. Sutton, "Büyük-büyük-büyük-büyük-büyük-büyük-büyük-büyük omurgasız atalarımızdan kaslarımız var" dedi. "Bitlerin temel özelliklerini değiştirmek evrim için gerçekten zor."
Gerçekten yükseğe zıplamak için daha fazla evrimsel baskı olsaydı, "Sanırım gerçekten yüksek atlamacılar geliştirmiş olurduk" dedi. Charlie Xiao, bir doktora öğrencisi ve yeni robot çalışmasında Keeley ve diğerleriyle ortak yazar. Ancak kurbağalar, çekirgeler ve insanlar sadece zıplamak için değil, üremek, yiyecek bulmak, yırtıcılardan kaçmak ve hayatın gerektirdiği diğer her şeyi yapmak için inşa edilmelidir.
Richard EssnerSouthern Illinois Üniversitesi Edwardsville'de biyolojik bilimler profesörü olan , bu takasların nasıl işe yaradığını açıkladı. Hemen atlamak isteyeceğiniz pek çok durum yok, dedi. Çoğu zaman, kurbağalar ve diğer küçük yaratıklar zıplama gücüne ihtiyaç duyduklarında, bunun nedeni arkalarındaki bir yırtıcıdan kaçmaya çalışmalarıdır. Daha sonra kurbağa, kendisi ile yırtıcı hayvan arasına mümkün olduğu kadar çabuk bir mesafe koymak ister. Kurbağa muhtemelen kalkış açısını azaltacak ve yörüngesini daha yükseğe değil daha uzağa atlamak için düzleştirecektir - ama muhtemelen yapabileceği en uzak noktaya kadar değil, çünkü güvenli bir yere atlamak genellikle bir dizi şerbetçiotu içerir. Kurbağaların çoğu havada bacaklarını vücutlarının altına katlar, böylece yere indikleri anda tekrar zıplamaya hazır olurlar.
Şaşırtıcı bir şekilde, büyük bir sıçramadan sonra düzgün bir şekilde inmek için her zaman doğal seçilim baskısı yoktur. Son zamanlarda Bilim Gelişmeler, Essner ve ekibi, bazıları sivri uçlu bir kalemin ucundan daha küçük olan balkabağı toadletleri olarak adlandırılan amfibilerin, zıpladıklarında neredeyse her zaman çarpıştığını bildirdi. Sorunlarının temelinde küçük boyutları yatmaktadır: Diğer hayvanlar gibi, kurbağalar da denge hissini iç kulaklarındaki vestibüler sistemden alır. Ancak, vestibüler sistemleri küçük olduğu için, açısal ivmeye nispeten duyarsızdır, bu da kurbağaları bir sıçrama sırasında yuvarlanmaya uyum sağlamak için yetersiz donanıma bırakır.
Kötü bir inişte yalnız değiller: Sutton, çekirgelerin de "sadece korkunç" olduğunu söyledi.
Yüksek lisans öğrencisi Chloe Goode tarafından yürütülen bir projede, Sutton'ın grubu şu anda çekirgelerin atlamaları sırasında neden kontrolsüz bir şekilde döndüklerini araştırıyor. Deneylerinde, ağırlık merkezlerini değiştirmek için böcekleri küçük ağırlıklı silindir şapkalarla donattılar. Araştırmacılar, bunun çekirgelerin havada dönmesini durdurmak için yeterli olduğunu buldular, bu da teoride çekirgelere inişleri üzerinde daha fazla kontrol sağlayabilir. Sutton ve ekibi, böceklerin neden bu istikrar için kafalarında biraz daha fazla ağırlıkla evrimleşmedikleri hakkında hiçbir fikre sahip değiller.
Ancak, kemik kırma riski taşıyan nispeten büyük yaratıklar olarak, çarpma inişi bize tehlikeli gelse de, daha küçük yaratıklar için daha az sorunludur. Essner, "Bu bir ölçeklendirme fenomeni" dedi. Artan boyutla, vücut kütlesi, güçlerini belirleyen destekleyici kemiklerin enine kesit alanından daha hızlı artar. Bir file kıyasla, bir farenin minimum kütlesini destekleyen çok fazla kemiği vardır.
Essner, küçük yaratıkların "düşmelerden herhangi bir zarar görmezler" dedi. Essner, çekirgeleri ve balkabağı kurbağalarını düzgün bir şekilde inme yeteneğini geliştirmeye zorlayacak kadar güçlü bir seçim baskısı olmayabilir, bu da onları hayatta kalmaları için daha önemli olan diğer yetenekleri geliştirme konusunda özgür bıraktı.
Sınırları Yeniden Düşünmek
Hawkes takım robotu kendi başına bir evrim geçiriyor. Araştırmacılar, cihazlarını, uzun mesafeleri hızlı bir şekilde geçmek için kontrollü sıçramalar kullanarak diğer dünyalardan örnekler toplayabilen tam işlevli bir robot haline getirmek için NASA ile birlikte çalışıyorlar. Xiao, atmosferin olmadığı, hava sürtünmesinin olmadığı ve Dünya'nın yerçekiminin sadece altıda birinin olduğu ayda, robotun teorik olarak 400 metreden fazla zıplayabileceğini söyledi. Umutları, önümüzdeki beş yıl içinde onu aya fırlatmak.
Ve eğer diğer gezegenlerde yaşam varsa, bize atlama hakkında öğretecek yeni şeyleri olabilir. Sutton, daha düşük yerçekimlerinde zıplamak, uçmaktan daha kolay ve hızlı hale gelebilir, bu nedenle organizmalar “Mario benzeri zıplayan karakterler” geliştirebilir.
Uzaylı yaşamında, belki de enerji depolamaya yönelik kendi cırcır benzeri çözümleriyle, farklı şekilde çalışan kasları olabilir. St. Pierre, “Belki de enerjiyi çok daha karmaşık bir şekilde depolayabilecekleri kadar gülünç biyomekanik yapılara sahipler” dedi.
Ancak Dünya'da bile hayvanlar araştırmacıları şaşırtmaya devam ediyor. Bir uyarıcı çalışmanın gösterdiği gibi, bir hayvanın maksimum zıplama performansı her zaman düşündüğümüz gibi değildir.
Her yıl, Calaveras County, California, ilham alan bir Sıçrayan Kurbağa Jübilesine ev sahipliği yapıyor. Mark Twain'in ünlü kısa öyküsü. Bu fuarlarda boğa kurbağalarının yatay olarak 2 metre sıçrayarak "olması gerekenin çok dışında çılgınca" olduğu bildiriliyor. Henry Astley, Akron Üniversitesi'nde yardımcı doçent. Kurbağaların daha önce en fazla 1.3 metre zıpladığı biliniyordu. Yani yaklaşık on yıl önce, Astley doktora çalışmasına başladığında, sorunu çözmek için California'ya gitti.
Yıldönümünde, o ve iş arkadaşları birkaç kurbağa kiraladılar, biraz huni pastası yediler ve işe koyuldular. Yarışma ekiplerinden ve genel halktan gelen kurbağa atlama verilerini analiz ederek, raporların abartı olmadığını keşfettiler. Kaydettikleri sıçramaların yarısından fazlası literatürdekilerden daha uzaktı. Sonunda anladılar (ve daha sonra ayrıntılı Sutton'ın "şimdiye kadar yazılmış en büyük atlama kağıdı" dediği şeyde, bu tutarsızlığın nedeninin en azından bir kısmının kurbağaların motivasyonlarının farklı olmasıydı. Calaveras County yarışmasının açık hava ortamında, kurbağalar, kurbağalara doğru yüksek hızlarda tüm vücut hamlelerini yapan “kurbağa jokeylerinden” korkuyordu. Ancak bu tür dramatik hareketlerin yaygın olmadığı laboratuvarda kurbağalar kimseden korkmuyordu; sadece yalnız bırakılmak istiyorlardı.
