Vào mùa hè năm 2021, trên đỉnh vách đá ven biển của Santa Barbara, California, Chris Keeley, khi đó là sinh viên đại học gần đó, cúi người để kéo một bó kim loại và cao su ra khỏi ba lô. Đó là một con rô-bốt, mà anh ta đã mất vài phút để cuộn dây.
Khi hoàn thành công việc, anh ấy đã ghi lại camera trên iPhone của mình và quan sát robot tự phóng lên không trung, vẽ một vòng cung cao trên bầu trời và hạ cánh ngay ngắn gần chân anh ấy. Keeley cảm thấy nhẹ nhõm; nhiều lần nhảy thử nghiệm trước đó đã không thành công. Mãi đến tận tối hôm đó, khi trở về phòng ngủ và tải dữ liệu về máy tính xách tay, anh mới nhận ra nó hoạt động tốt như thế nào.
Cầu thủ này đã đạt đến chiều cao kỷ lục khoảng 32.9 mét, khi Keeley và các cộng sự của anh ấy, dẫn đầu Elliot Hawkes, một nhà nghiên cứu kỹ thuật cơ khí tại Đại học California, Santa Barbara, được báo cáo trong tháng 4 in Thiên nhiên. Nó không chỉ nhảy cao hơn ba lần so với các robot thí nghiệm khác được chế tạo cho nhiệm vụ đó mà còn nhảy cao hơn 14 lần so với bất kỳ sinh vật nào khác trong vương quốc động vật. Trong tất cả các khả năng, robot của họ đã nhảy cao hơn bất cứ thứ gì từng có trên Trái đất.
“Tôi nghĩ đây là một trong số rất ít robot thực sự làm tốt hơn sinh học, và cách nó vượt trội hơn sinh học là vô cùng thông minh,” nói Ryan St. Pierre, một trợ lý giáo sư tại khoa cơ khí và hàng không tại Đại học Buffalo, người không tham gia vào nghiên cứu.
Sự thành công của robot đã làm nổi bật những hạn chế về thể chất mà những vận động viên nhảy cầu sinh học phải đối mặt trong môi trường hoang dã. Mặc dù những hạn chế này khiến con người không thể nhảy đến cửa hàng tạp hóa như thể họ đang ở trên gậy pogo và ngăn ếch rơi khỏi mây, nhưng sinh học đã đưa ra các cách giải quyết khéo léo của riêng mình để đẩy chiều cao và chiều dài của bước nhảy xa nhất có thể , thông qua các tinh chỉnh cơ sinh học nhỏ phù hợp với nhu cầu nhảy của từng loài động vật.
Ngay cả những kỹ sư đằng sau vận động viên nhảy cầu vĩ đại nhất thế giới này vẫn phải kinh ngạc với những thiết kế của riêng ngành sinh học. Bây giờ, "ở bất cứ nơi nào tôi nhìn, tôi đều thấy mình đang nhảy", Keeley nói. "Tôi không thể tự giúp mình."
Hành động nhảy
Các nhà nghiên cứu đã viết: Nhảy là một hành động chuyển động do tác dụng của lực lên mặt đất mà không làm mất đi khối lượng nào; do đó, tên lửa mất nhiên liệu khi phóng, hoặc một mũi tên rời khỏi cung của nó, không được tính.
Cơ bắp là động cơ sinh học cung cấp năng lượng cho các chuyển động. Để nhảy, bạn cúi người xuống, co bắp chân và các cơ khác, một quá trình chuyển đổi năng lượng hóa học có sẵn trong cơ thành năng lượng cơ học. Gân, mô co giãn kết nối các cơ với khung xương, truyền năng lượng cơ học đó đến xương, các cơ này sẽ sử dụng năng lượng đó để chống lại mặt đất để đẩy cơ thể đi lên.
Nhảy hoạt động theo những cách tương tự đáng ngạc nhiên về kích thước và quy mô trong vương quốc động vật - nhưng một số thiết kế cơ sinh học kỳ quặc cho phép một số sinh vật đẩy giới hạn sinh học. Sức mạnh của một bước nhảy tương đương với lượng năng lượng có sẵn cho cơ chế nhảy trên một đơn vị thời gian trong quá trình chống đẩy. Cơ bắp của bạn tạo ra càng nhiều năng lượng và bạn càng lên khỏi mặt đất nhanh thì cú nhảy sẽ càng mạnh mẽ.
Nhưng khi động vật nhỏ hơn, chân của chúng ngắn hơn và tiếp xúc với mặt đất ít hơn trong thời gian phóng. Do đó, họ cần phải có khả năng giải phóng năng lượng cho một cú nhảy với độ đột ngột bùng nổ. Đối với những sinh vật nhỏ hơn này, thiên nhiên đã đưa ra một giải pháp sáng tạo: lưu trữ hầu hết năng lượng nhảy trong các mô có độ đàn hồi cao làm việc như suối sinh học, giải thích Greg Sutton, một giáo sư và nhà nghiên cứu tại Đại học Lincoln ở Anh.
Khi quay trở lại chiều dài ban đầu, lò xo có thể giải phóng năng lượng tích trữ nhanh hơn nhiều so với cơ bắp có thể, điều này làm tăng sức mạnh sẵn có cho bước nhảy. Kết quả là, một số vận động viên nhảy tốt nhất trong thế giới sinh vật là những vận động viên sử dụng lò xo.
Ví dụ, một con châu chấu dự trữ năng lượng của các cơ chân sau của nó trong các lò xo nằm trên các khớp. Những chiếc lò xo này, trông giống như hạt đậu lima, cho phép con châu chấu tạo ra sức mạnh gấp 20 đến 40 lần trên một đơn vị khối lượng so với cơ thể người. Mặc dù tổng sức mạnh của con châu chấu nhỏ hơn nhiều so với sức mạnh mà con người tạo ra, nhưng mật độ sức mạnh của nó, hoặc sức mạnh trên một đơn vị khối lượng, lại cao hơn nhiều. Nhờ đó, châu chấu có thể nhảy lên độ cao khoảng 0.5 mét - trung bình tương đương với con người nhưng gấp hàng chục lần chiều dài cơ thể của châu chấu.
Khả năng tăng sức mạnh mà châu chấu nhận được từ lò xo của chúng so với những gì một số loài nhảy nhỏ khác có thể thu thập được. Bọ chét có thể đạt được mật độ sức mạnh gấp 80 đến 100 lần so với cơ bắp của con người, trong khi côn trùng được gọi là ếch nhái có thể tạo ra gấp 600 đến 700 lần. Bí mật của ếch nhái là lò xo để tích trữ năng lượng nhảy nằm trong lồng ngực của chúng; khoảng cách thêm để co cơ cho phép cung cấp nhiều sức mạnh hơn. Sutton nói: “Nó giống như thể cơ hông của bạn, thay vì gắn vào xương chậu, gắn vào vai của bạn.
Một số loài động vật, chẳng hạn như chuột túi, không có lò xo riêng biệt trong thiết kế cơ sinh học của chúng, nhưng chúng có hệ thống cơ đàn hồi hơn, chẳng hạn như gân tích trữ nhiều năng lượng để nhảy cao hơn. Ví dụ, loài galago nhỏ hơn - một siêu sao nhảy trong số các động vật có xương sống - có những đường gân cực kỳ co giãn, nhờ đó nó có thể nhảy cao hơn 2 mét, và gấp 12 lần chiều dài cơ thể. (Các gân của con người tích trữ một ít năng lượng và có thể hoạt động giống như lò xo, nhưng chúng không hoạt động từ xa hiệu quả như các phiên bản có lò xo ở các loài động vật khác.)
bánh cóc
Trong ít nhất nửa thế kỷ, các nhà nghiên cứu đã phân tích hiệu suất của một số loại cầu nhảy sinh học tuyệt vời này để thông báo về các thiết kế của họ về cầu nhảy cơ học. Nhưng nghiên cứu mới này có thể đánh dấu lần đầu tiên các kỹ sư thiết kế cầu nhảy cơ học nhận ra rằng “bạn không cần phải làm những gì sinh học đang làm”. Sheila Patek, một giáo sư sinh học tại Đại học Duke.
Robot mới đã đạt được độ cao kỷ lục bằng cách vượt qua những hạn chế về thiết kế sinh học và làm những gì động vật không thể. “Cơ bắp không thể bánh cóc,” Sutton nói. Ngay cả khi cơ bắp chuyển năng lượng co lại của chúng vào một lò xo gắn liền, khi chúng dài ra trở lại, năng lượng đó sẽ được giải phóng. Do đó, năng lượng có sẵn để thúc đẩy một cú nhảy bị giới hạn ở mức mà một lần gập của cơ bắp có thể cung cấp.
Nhưng trong rô bốt cuộn dây, một chốt giữ lò xo bị kéo căng ở vị trí giữa các chuyển động quay, do đó năng lượng tích trữ sẽ tiếp tục tăng lên. Quá trình tăng tốc này nhân lên lượng năng lượng dự trữ có sẵn để thực hiện bước nhảy cuối cùng. Hơn nữa, Sutton cho biết, tiết diện vuông của lò xo của robot cho phép nó lưu trữ năng lượng gấp đôi so với lò xo sinh học, có thiết kế hình tam giác hơn.
Tại sao các sinh vật sinh học không phát triển một số khả năng để kéo các cơ của chúng hoặc nói cách khác là tự di chuyển cao hơn, xa hơn và nhanh hơn?
Cơ bắp tiến hóa rất cũ; chúng không khác nhau nhiều giữa côn trùng và con người. “Chúng tôi có được cơ bắp từ tổ tiên không xương sống vĩ đại của chúng tôi,” Sutton nói. “Việc thay đổi các thuộc tính cơ bản của bit thực sự khó cho quá trình tiến hóa.”
Nếu có nhiều áp lực tiến hóa hơn để nhảy thật cao, "Tôi đoán chúng ta đã tiến hóa những vận động viên nhảy cao thực sự", nói Charlie Xiao, một nghiên cứu sinh tiến sĩ và đồng tác giả với Keeley và những người khác về nghiên cứu robot mới. Nhưng ếch, châu chấu và con người cần được xây dựng không chỉ để nhảy mà còn để sinh sản, tìm kiếm thức ăn, thoát khỏi những kẻ săn mồi và làm mọi thứ khác mà cuộc sống yêu cầu.
Richard Essner, một giáo sư khoa học sinh học tại Đại học Nam Illinois Edwardsville, giải thích cách những sự đánh đổi đó có thể hoạt động. Không có nhiều tình huống mà bạn muốn nhảy thẳng lên, anh ấy nói. Thông thường, khi ếch và các sinh vật nhỏ khác cần sức mạnh để nhảy, đó là vì chúng đang cố gắng thoát khỏi kẻ săn mồi phía sau. Sau đó, con ếch muốn nhanh chóng đặt khoảng cách giữa nó và kẻ săn mồi càng nhiều càng tốt. Con ếch có thể sẽ giảm góc cất cánh, làm phẳng quỹ đạo của nó để nhảy xa hơn thay vì cao hơn - nhưng có lẽ không phải là xa nhất mà nó có thể, bởi vì nhảy đến nơi an toàn thường bao gồm một loạt các bước nhảy. Hầu hết các loài ếch đều gập chân dưới cơ thể của chúng trong không trung để ngay khi tiếp đất, chúng sẵn sàng nhảy trở lại.
Đáng ngạc nhiên, không phải lúc nào áp lực chọn lọc tự nhiên cũng hạ cánh đúng cách sau một bước nhảy lớn. Gần đây trong Những tiến bộ khoa học, Essner và nhóm của ông báo cáo rằng các loài lưỡng cư được gọi là cóc bí ngô, một số trong số chúng nhỏ hơn đầu bút chì nhọn, hầu như luôn rơi xuống đất khi chúng nhảy. Kích thước nhỏ bé của chúng chính là gốc rễ của vấn đề: Giống như các loài động vật khác, ếch có được cảm giác thăng bằng từ hệ thống tiền đình ở tai trong của chúng. Nhưng bởi vì hệ thống tiền đình của chúng nhỏ, nó tương đối không nhạy cảm với gia tốc góc, khiến ếch không đủ trang bị để điều chỉnh việc lộn nhào trong khi nhảy.
Họ không đơn độc trong việc hạ cánh tồi tệ: Châu chấu cũng “khủng khiếp khi hạ cánh”, Sutton nói.
Trong một dự án do sinh viên tốt nghiệp Chloe Goode dẫn đầu, nhóm của Sutton hiện đang nghiên cứu lý do tại sao châu chấu quay không kiểm soát được trong quá trình chúng nhảy. Trong các thí nghiệm của mình, họ trang bị cho côn trùng những chiếc mũ chóp có trọng lượng cực nhỏ để thay đổi trọng tâm của chúng. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng điều này là đủ để ngăn châu chấu quay trong không khí, điều này về lý thuyết có thể giúp châu chấu kiểm soát nhiều hơn đối với việc hạ cánh của chúng. Sutton và nhóm của ông không biết tại sao côn trùng không tiến hóa với trọng lượng lớn hơn một chút trong đầu để có được sự ổn định đó.
Nhưng trong khi một vụ hạ cánh có vẻ nguy hiểm đối với chúng ta vì những sinh vật tương đối lớn có nguy cơ bị gãy xương, thì nó ít có vấn đề hơn đối với những sinh vật nhỏ hơn. Essner nói: “Đó là một hiện tượng mở rộng quy mô. Với kích thước ngày càng tăng, khối lượng cơ thể tăng nhanh hơn diện tích mặt cắt ngang của các xương hỗ trợ, yếu tố quyết định sức mạnh của chúng, ông nói. So với một con voi, một con chuột có nhiều xương hơn so với khối lượng tối thiểu của nó.
Các sinh vật nhỏ “chỉ không gặp bất kỳ thiệt hại nào do ngã,” Essner nói. Có thể không có áp lực tuyển chọn đủ mạnh để buộc châu chấu và cóc bí ngô phát triển khả năng tiếp đất hợp lý, điều này đã giải phóng chúng để phát triển các khả năng khác quan trọng hơn cho sự tồn tại của chúng, Essner nói thêm.
Suy nghĩ lại các giới hạn
Robot của đội Hawkes đang trải qua một quá trình tiến hóa của riêng nó. Các nhà nghiên cứu đang làm việc với NASA để phát triển thiết bị của họ thành một robot hoạt động đầy đủ có thể thu thập mẫu trên các thế giới khác, sử dụng các bước nhảy có kiểm soát để nhanh chóng vượt qua những khoảng cách xa. Trên mặt trăng, nơi không có khí quyển, không có lực cản của không khí và chỉ bằng 400/XNUMX trọng lực của Trái đất, về lý thuyết, robot có thể nhảy xa hơn XNUMX mét, Xiao nói. Hy vọng của họ là có thể phóng nó lên mặt trăng trong vòng XNUMX năm tới hoặc lâu hơn.
Và nếu có sự sống trên các hành tinh khác, nó có thể có những điều mới để dạy chúng ta về cách nhảy. Ở độ sâu thấp hơn, việc nhảy có thể trở nên dễ dàng và nhanh hơn so với bay, vì vậy các sinh vật có thể phát triển thành “các nhân vật nhảy giống Mario,” Sutton nói.
Cuộc sống ngoài hành tinh cũng có thể có các cơ hoạt động khác nhau, có lẽ với các giải pháp giống như bánh cóc của riêng chúng để lưu trữ năng lượng. “Có thể chúng có cấu trúc cơ sinh học thực sự nực cười, [như vậy] để chúng có thể tích trữ năng lượng theo cách phức tạp hơn nhiều,” St. Pierre nói.
Nhưng ngay cả trên Trái đất, các loài động vật vẫn tiếp tục khiến các nhà nghiên cứu ngạc nhiên. Như một nghiên cứu cảnh báo đã chỉ ra, hiệu suất nhảy tối đa của động vật không phải lúc nào cũng như chúng ta nghĩ.
Hàng năm, Hạt Calaveras, California, tổ chức Năm Thánh Ếch Nhảy lấy cảm hứng từ Truyện ngắn nổi tiếng của Mark Twain. Tại các hội chợ này, những con ễnh ương được báo cáo là đã nhảy theo chiều ngang 2 mét, "một cách hoang dã bên ngoài phạm vi của những gì nó nên có", cho biết Henry Astley, một trợ lý giáo sư tại Đại học Akron. Ễnh ương trước đây được biết là có thể nhảy cao nhất khoảng 1.3 mét. Vì vậy, khoảng một thập kỷ trước, khi Astley bắt tay vào công việc tiến sĩ của mình, anh ấy đã đến California để giải quyết vấn đề.
Tại lễ hội, anh và đồng nghiệp thuê ếch, ăn bánh phễu rồi bắt tay vào làm. Bằng cách phân tích dữ liệu nhảy ếch từ các đội thi đấu và các thành viên của công chúng, họ phát hiện ra các báo cáo không hề phóng đại. Hơn một nửa số bước nhảy mà họ ghi nhận được là xa hơn so với những bước nhảy trong tài liệu. Cuối cùng họ đã nhận ra (và chi tiết sau trong cái mà Sutton gọi là “tờ giấy nhảy vĩ đại nhất từng được viết”) rằng ít nhất một phần lý do của sự khác biệt là động cơ của những con ếch khác nhau. Trong bối cảnh ngoài trời của cuộc thi ở Quận Calaveras, những con ếch sợ “ếch nhảy”, những người thực hiện những cú nhào toàn thân về phía ếch ở tốc độ cao. Nhưng trong phòng thí nghiệm, nơi những chuyển động kịch tính như vậy không phổ biến, những con ếch không hề khiếp sợ bất cứ ai; họ chỉ muốn được ở một mình.
