Влітку 2021 року на вершині прибережних скель Санта-Барбари, штат Каліфорнія, Кріс Кілі, який тоді був студентом сусіднього університету, присів, щоб витягнути зі свого рюкзака пачку металу та гуми. Це був робот, якого він заводив кілька хвилин.
Закінчивши, він натиснув запис на камері свого iPhone і спостерігав, як робот піднімається високо в повітря, малює високу дугу в небі та акуратно приземляється біля його ніг. Кілі відчув полегшення; багато попередніх тестових стрибків зазнали невдачі. Лише пізніше тієї ночі, коли він повернувся до своєї спальні та завантажив дані про стрибки на свій ноутбук, він зрозумів, наскільки добре це спрацювало.
Стрибун досяг рекордної висоти близько 32.9 метрів, оскільки Кілі та його колеги на чолі з Елліот Хоукс, дослідник машинобудування в Каліфорнійському університеті в Санта-Барбарі, повідомлялося в квітні in природа. Він не тільки стрибнув більш ніж у три рази вище, ніж інші експериментальні роботи, створені для цього завдання, він стрибнув більш ніж у 14 разів вище, ніж будь-яка інша істота в тваринному світі. Цілком імовірно, їхній робот стрибнув вище, ніж будь-що на Землі.
«Я думаю, що це один із небагатьох роботів, який справді перевершує біологію, і те, як він перевершує біологію, є неймовірно розумним», — сказав Райан Сен-П'єр, доцента кафедри механічної та аерокосмічної інженерії в Університеті Буффало, який не брав участі в дослідженні.
Успіх робота підкреслює фізичні обмеження, з якими стикаються біологічні стрибуни в дикій природі. Хоча ці обмеження не дають людям стрибати до продуктового магазину, ніби вони на палицях, і не дають жабам випасти з хмар, біологія винайшла власні геніальні обхідні шляхи, які дозволяють збільшити висоту та довжину стрибка якомога далі. , завдяки невеликим біомеханічним налаштуванням, адаптованим до потреб кожної тварини у стрибках.
Навіть інженери, які створили найбільшого у світі стрибуна, все ще в захваті від власних розробок біології. Тепер, «куди б я не глянула, я бачу стрибки», - сказала Кілі. «Я не можу допомогти собі».
Акт стрибків
Стрибок — це акт руху, спричинений додатком сили до землі без втрати будь-якої маси, пишуть дослідники; таким чином, ракета, яка втрачає паливо під час запуску, або стріла, яка покидає свій лук, не зараховуються.
М'язи - це біологічні двигуни, які забезпечують рухи енергією. Щоб стрибнути, ви присідаєте, скорочуючи литки та інші м’язи, процес, який перетворює наявну в м’язах хімічну енергію на механічна енергія. Сухожилля, еластичні тканини, які з’єднують м’язи зі скелетом, передають цю механічну енергію до кісток, які використовують цю енергію, щоб натискати на землю, щоб рухати тіло вгору.
Стрибки працюють напрочуд подібним чином у різних розмірах і масштабах тваринного світу, але деякі особливості біомеханічного дизайну дозволяють певним істотам розширювати біологічні межі. Потужність стрибка еквівалентна кількості енергії, доступної механізму стрибка за одиницю часу під час відштовхування. Чим більше енергії виробляють ваші м’язи і чим швидше ви відриваєтеся від землі, тим сильнішим буде стрибок.
Але в міру того, як тварини стають меншими, їхні ноги стають коротшими, і вони менше часу контактують із землею під час запуску. Тому вони повинні мати можливість вивільнити енергію для стрибка з вибуховою раптовістю. Для цих менших істот природа придумала креативне рішення: зберігати більшу частину енергії стрибка у високоеластичних тканинах, які працюють як біологічні джерела, пояснив Грег Саттон, професор і науковий співробітник Університету Лінкольна в Англії.
Коли пружини повертаються до початкової довжини, вони можуть вивільнити накопичену енергію набагато швидше, ніж м’язи, що збільшує силу, доступну для стрибка. Як наслідок, одні з найкращих стрибунів у біологічному світі – це ті, які використовують пружини.
Наприклад, коник накопичує енергію м'язів задніх ніг у пружинах, розташованих на суглобах. Ці пружини, схожі на лімські боби, дозволяють конику вкласти в свій стрибок у 20-40 разів більше сили на одиницю маси, ніж людський м’яз. Хоча загальна потужність коника набагато менша, ніж генерує людина, що стрибає, його щільність потужності, або потужність на одиницю маси, набагато вища. У результаті коник може стрибнути на висоту приблизно 0.5 метра — в середньому стільки ж, скільки можуть люди, але в десятки разів перевищує довжину тіла коника.
Потужність, яку коники отримують від своїх пружин, блідне в порівнянні з тим, що можуть продемонструвати деякі інші крихітні стрибуни. Блохи можуть досягати потужності м’язів людини, яка у 80-100 разів перевищує щільність людських м’язів, тоді як комахи, які називаються жаб’яними скакунами, можуть генерувати в 600-700 разів більше. Секрет жаб’ячих стрибків полягає в тому, що їх пружина для зберігання енергії стрибка знаходиться в їх грудній клітці; додаткова відстань для скорочення м’язів забезпечує доставку більшої потужності. «Це було б так, ніби ваші стегнові м’язи, замість того, щоб прикріплюватися до тазу, прикріплювалися до ваших плечей», – сказав Саттон.
Деякі тварини, такі як кенгуру, не мають окремих пружин у своїй біомеханічній конструкції, але вони мають більш еластичні м’язові системи, такі як сухожилля, які зберігають багато енергії для стрибків вище. Наприклад, малий галаго — суперзірковий стрибун серед хребетних — має надзвичайно розтягнуті сухожилля, за допомогою яких він може стрибнути на висоту понад 2 метри та в 12 разів перевищує довжину тіла. (Людські сухожилля зберігають трохи енергії та можуть діяти як пружини, але вони далеко не такі ефективні, як пружинні версії інших тварин.)
Хриплість
Принаймні півстоліття дослідники аналізували ефективність деяких із цих дивовижних біологічних перемичок, щоб пояснити свої конструкції механічних перемичок. Але це нове дослідження може стати першим випадком, коли інженери, які розробляють механічні перемички, зрозуміли, що «вам не потрібно робити те, що робить біологія». Шейла Патек, професор біології в Університеті Дьюка.
Новий робот досяг рекордної висоти стрибків, подолавши обмеження біологічного дизайну та зробивши те, що тварини не можуть. "М'язи не можуть тріскатися", - сказав Саттон. Навіть якщо м’язи передають енергію свого скорочення на прикріплену пружину, коли вони знову подовжуються, ця енергія вивільняється. Тому енергія, доступна для здійснення стрибка, обмежена тим, що може забезпечити одне згинання м’яза.
Але в заводному роботі засув утримує розтягнуту пружину в положенні між поворотами, тому накопичена енергія продовжує накопичуватися. Цей храповий процес збільшує кількість накопиченої енергії, доступної для запуску можливого стрибка. Крім того, сказав Саттон, квадратний поперечний переріз пружини робота дозволяє йому накопичувати вдвічі більше енергії, ніж біологічні пружини, які мають більш трикутну конструкцію.
Чому біологічні істоти не розвинули певної здатності тріскати м’язами чи іншим чином рухатися вище, далі та швидше?
М'язи еволюційно дуже старі; вони не дуже відрізняються між комахами та людьми. «Ми отримали м’язи від наших пра-пра-пра-пра-пра-пра-пра предків без хребта», — сказав Саттон. «Зміна основних властивостей бітів дуже складна для еволюції».
Якби було більше еволюційного тиску на те, щоб стрибати дійсно високо, «я думаю, ми розвинули б дійсно стрибунів у висоту», сказав Чарлі Сяо, докторант і співавтор з Кілі та іншими дослідниками нового робота. Але жаб, коників і людей потрібно створювати не тільки для стрибків, але й для розмноження, пошуку їжі, втечі від хижаків і виконання всього іншого, що вимагає життя.
Річард Есснер, професор біологічних наук Університету Південного Іллінойсу в Едвардсвіллі, пояснив, як можуть працювати ці компроміси. За його словами, небагато ситуацій, коли ви б хотіли стрибнути прямо вгору. Найчастіше, коли жабам та іншим дрібним істотам потрібна сила стрибка, це тому, що вони намагаються втекти від хижака позаду них. Тоді жаба хоче швидко встановити якомога більшу відстань між собою та хижаком. Жаба, швидше за все, зменшить кут зльоту, вирівнюючи траєкторію, щоб стрибнути далі, а не вище — але, ймовірно, не максимально далеко, оскільки стрибок у безпечне місце зазвичай включає серію стрибків. Більшість жаб складають ноги під тілом у повітрі, щоб, миттєво приземлившись, бути готовими знову стрибнути.
Дивно, але не завжди існує тиск природного відбору, щоб правильно приземлитися після великого стрибка. останнім часом в Наука розвиваєтьсяЕсснер і його команда повідомили, що амфібії, яких називають гарбузовими карапузами, деякі з яких менші за кінчик гострого олівця, майже завжди приземляються, коли стрибають. Причиною проблеми є їх крихітний розмір: як і інші тварини, жаби отримують відчуття рівноваги через вестибулярну систему внутрішнього вуха. Але оскільки їхня вестибулярна система невелика, вона відносно нечутлива до кутового прискорення, через що жаби погано пристосовані до перекидання під час стрибка.
Вони не єдині, хто погано приземляється: коники теж «просто жахливі в цьому», сказав Саттон.
У проекті під керівництвом аспірантки Хлої Гуд група Саттона зараз вивчає, чому коники неконтрольовано крутяться під час своїх стрибків. У своїх експериментах вони наділи комах крихітними важкими циліндрами, щоб змістити їхній центр ваги. Дослідники виявили, що цього було достатньо, щоб коники не крутилися в повітрі, що теоретично могло б дати коникам більше контролю над приземленням. Саттон і його команда поняття не мають, чому комахи не еволюціонували з трохи більшою вагою в голові для такої стабільності.
Але хоча аварійна посадка звучить небезпечно для нас, оскільки для відносно масивних істот ризикує зламати кістки, це менш проблематично для менших істот. «Це явище масштабування», — сказав Есснер. Зі збільшенням розміру маса тіла збільшується швидше, ніж площа поперечного перерізу опорних кісток, що визначає їх міцність, сказав він. У порівнянні зі слоном, миша має багато кісток, що зберігає її мінімальну масу.
Маленькі істоти «просто не зазнають жодної шкоди від падінь», — сказав Есснер. Можливо, не було достатньо сильного тиску відбору, щоб змусити коників і гарбузових карапузів розвинути здатність правильно приземлятися, що звільнило їх для розвитку інших здібностей, важливіших для їхнього виживання, додав Есснер.
Переосмислення обмежень
Робот команди Хоукса переживає власну еволюцію. Дослідники працюють з NASA над розробкою свого пристрою в повноцінного робота, який міг би збирати зразки в інших світах, використовуючи контрольовані стрибки для швидкого подолання великих відстаней. За словами Сяо, на Місяці, де немає атмосфери, повітряного опору і лише одна шоста земної гравітації, робот теоретично міг би стрибнути більше ніж на 400 метрів. Вони сподіваються запустити його на Місяць приблизно в найближчі п'ять років.
І якщо є життя на інших планетах, воно може навчити нас чогось нового про стрибки. За нижчої сили тяжіння стрибки можуть стати легшими та швидшими, ніж польоти, тому організми можуть еволюціонувати «характерами стрибання, схожими на Маріо», — сказав Саттон.
Інопланетне життя також може мати м’язи, які працюють по-іншому, можливо, з власними храповими рішеннями для зберігання енергії. «Можливо, у них дійсно смішні біомеханічні структури, [такі], що вони можуть накопичувати енергію набагато складнішим способом», — сказав Сен-П’єр.
Але навіть на Землі тварини продовжують дивувати дослідників. Як показало одне застережливе дослідження, максимальна здатність тварини до стрибків не завжди відповідає нам.
Щороку в окрузі Калаверас, штат Каліфорнія, проводиться ювілей жаби-стрибунки, натхненний Знаменита новела Марка Твена. Повідомляється, що на цих ярмарках жаби-бики стрибали на 2 метри по горизонталі, що «дико виходить за межі того, чим це повинно бути». Генрі Естлі, доцент Акронського університету. Раніше було відомо, що жаби-бики стрибають щонайбільше приблизно на 1.3 метра. Тож приблизно десять років тому, коли Естлі розпочав свою докторську роботу, він поїхав до Каліфорнії, щоб вирішити проблему.
На ювілеї вони з колегами взяли напрокат жаб, з'їли пиріг і взялися за роботу. Проаналізувавши дані про стрибки жаби від змагальних команд і представників широкої громадськості, вони виявили, що повідомлення не були перебільшенням. Більше половини стрибків, які вони зафіксували, були далі, ніж ті, що описані в літературі. Зрештою вони зрозуміли (і пізніше детально у тому, що Саттон називає «найбільшою стрибучою роботою з усіх, які коли-небудь були написані»), принаймні частково причиною розбіжності полягала в тому, що мотивації жаб відрізнялися. Під час змагань округу Калаверас на відкритому повітрі жаби боялися «жаб’ячих жокеїв», людей, які виконували випади всім тілом у бік жаб на великій швидкості. Але в лабораторії, де такі різкі рухи не були звичним явищем, жаби нікого не боялися; вони просто хотіли, щоб їх залишили в спокої.
