2021 年夏天，在加利福尼亚州圣巴巴拉的海岸悬崖顶上，当时在附近大学读本科的克里斯·基利蹲下身子，从背包里拿出一捆金属和橡胶。 那是一个机器人，他花了几分钟把它收起来。
完成后，他用 iPhone 的摄像头记录下来，看着机器人高高地升空，在天空中划出一道高高的弧线，然后整齐地降落在他的脚边。 基利松了口气； 许多以前的测试跳跃都失败了。 直到那天晚上晚些时候，当他回到卧室并将跳跃数据下载到笔记本电脑上时，他才意识到它的效果如何。
由于基利和他的合作者在 艾略特霍克斯，加州大学圣巴巴拉分校机械工程研究员， 4月报道 in 自然. 它不仅跳得比为这项任务建造的其他实验机器人高出三倍多，而且跳得比动物王国中的任何其他生物高出十四倍多。 十有八九，他们的机器人跳得比地球上任何东西都要高。
“我认为这是为数不多的真正超越生物学的机器人之一，它超越生物学的方式非常聪明，”说 瑞安圣皮埃尔布法罗大学机械与航空航天工程系的助理教授，并未参与这项研究。
机器人的成功凸显了生物跳伞者在野外面临的身体限制。 尽管这些限制使人类无法像跳跳跳杖一样跳到杂货店并防止青蛙从云中掉下来，但生物学已经想出了自己的巧妙解决方法，可以将跳跃的高度和长度推到尽可能远的地方，通过针对每只动物的跳跃需求量身定制的小型生物力学调整。
即使是世界上最伟大的跳跃者背后的工程师仍然对生物学自己的设计感到敬畏。 现在，“我看到的每一个地方都在跳跃，”基利说。 “我无法自拔。”
跳跃的行为
研究人员写道，跳跃是一种在不损失任何质量的情况下向地面施加力而引起的运动行为。 因此，发射时失去燃料的火箭或离开弓箭的箭都不算数。
肌肉是为运动提供能量的生物马达。 为了跳跃，你蹲下，收缩你的小腿和其他肌肉，这个过程将肌肉中可用的化学能转化为 机械能. 肌腱是连接肌肉和骨骼的有弹性的组织，将机械能传递给骨骼，骨骼利用该能量推动地面以推动身体向上。
跳跃在动物王国的大小和尺度上以惊人的相似方式起作用——但一些生物力学设计怪癖允许某些生物突破生物极限。 跳跃的力量相当于在推开过程中每单位时间跳跃机构可用多少能量。 你的肌肉产生的能量越多，你离开地面的速度越快，跳跃的力量就越大。
但是随着动物变小，它们的腿会变短，并且在发射过程中与地面接触的时间也会减少。 因此，他们需要能够释放能量，以爆发性的突然跳跃。 对于这些较小的生物，大自然想出了一个创造性的解决方案：将大部分跳跃能量储存在高弹性组织中， 作为生物泉水工作，解释 格雷格·萨顿，英国林肯大学教授兼研究员。
当弹回原来的长度时，弹簧可以比肌肉更快地释放储存的能量，这增加了跳跃的可用力量。 因此，生物世界中一些最好的跳线是使用弹簧的。
例如，蚱蜢将其后腿肌肉的能量储存在关节上的弹簧中。 这些弹簧看起来像利马豆，使蚱蜢每单位质量的跳跃力比人类肌肉高出 20 到 40 倍。 尽管蚱蜢的总能量远低于跳跃的人类，但它的能量密度或每单位质量的能量要高得多。 结果，蚱蜢可以跳到大约 0.5 米的高度——与人类的平均水平相同，但它的身长是蚱蜢的几十倍。
蚱蜢从它们的弹簧中获得的动力提升与其他一些小型跳线所能获得的动力相比相形见绌。 跳蚤的能量密度可以达到人类肌肉的 80 到 100 倍，而被称为蛙跳的昆虫可以产生 600 到 700 倍的能量密度。 蛙蛙的秘密是它们储存跳跃能量的弹簧在它们的胸部。 肌肉收缩的额外距离可以传递更多的力量。 “这就好像你的臀部肌肉，而不是附着在你的骨盆上，而是附着在你的肩膀上，”萨顿说。
一些动物，如袋鼠，在其生物力学设计中没有单独的弹簧，但它们具有更具弹性的肌肉系统，例如储存大量能量以跳得更高的肌腱。 例如，较小的 galago - 脊椎动物中的超级巨星跳跃者 - 具有非常有弹性的肌腱，它可以跳跃超过 2 米高，并且高达其身体长度的 12 倍。 （人类的肌腱储存了一点能量，可以像弹簧一样发挥作用，但它们远没有其他动物的弹性版本那么有效。）
棘轮
至少半个世纪以来，研究人员分析了其中一些令人惊叹的生物跳线的性能，为他们的机械跳线设计提供信息。 但这项新研究可能标志着设计机械跳线的工程师第一次意识到“你不需要做生物学正在做的事情，”说 希拉·帕特克杜克大学生物学教授。
新机器人克服了生物设计的限制并做了动物不能做的事情，达到了创纪录的跳跃高度。 “肌肉不能棘轮，”萨顿说。 即使肌肉将收缩的能量传递给连接的弹簧，当它们再次拉长时，该能量也会释放出来。 因此，可用于驱动跳跃的能量仅限于肌肉的一个弯曲所能提供的能量。
但是在上发条机器人中，一个闩锁将拉伸的弹簧保持在启动运动之间的位置，因此存储的能量不断积累。 这种棘轮过程使可用于启动最终跳跃的存储能量成倍增加。 此外，萨顿说，机器人弹簧的方形横截面使其能够存储两倍于具有更三角形设计的生物弹簧的能量。
为什么生物没有进化出某种能力来增强肌肉或以其他方式将自己移动得更高、更远、更快？
肌肉在进化上非常古老； 它们在昆虫和人类之间没有太大区别。 “我们从我们伟大的伟大伟大伟大伟大的无骨祖先那里获得了肌肉，”萨顿说。 “改变比特的基本属性对于进化来说真的很难。”
如果有更多的进化压力跳得非常高，“我想我们会进化出真正的跳高运动员，”说 查理·肖，博士生，与 Keeley 等人共同撰写了新的机器人研究。 但是青蛙、蚱蜢和人类不仅需要被建造用于跳跃，还需要用于繁殖、寻找食物、逃离捕食者和做生命所需的一切。
理查德·埃斯纳南伊利诺伊大学爱德华兹维尔分校的生物科学教授解释了这些权衡是如何起作用的。 他说，在很多情况下你都不想直接跳起来。 大多数情况下，当青蛙和其他小生物需要跳跃力时，这是因为它们试图逃离身后的捕食者。 然后青蛙想尽快在自己和捕食者之间拉开尽可能远的距离。 青蛙可能会减小它的起飞角度，使其轨迹变平以跳得更远而不是更高——但可能不是它所能跳的最远，因为跳到安全位置通常涉及一系列跳跃。 大多数青蛙在半空中将腿折叠在身体下方，以便在着陆的那一刻，它们准备好再次跳跃。
令人惊讶的是，大跳跃后并不总是有自然选择的压力来正确着陆。 最近在 科学进展，埃斯纳和他的团队报告说，两栖动物称为南瓜蟾蜍，其中一些比削尖的铅笔尖还小，当它们跳跃时几乎总是坠落。 它们的微小尺寸是它们问题的根源：像其他动物一样，青蛙从内耳的前庭系统获得平衡感。 但由于它们的前庭系统很小，它对角加速度相对不敏感，这使得青蛙在跳跃过程中无法适应翻滚。
他们并不是唯一一个着陆失败的人：蚱蜢“也很糟糕”，萨顿说。
在研究生 Chloe Goode 领导的一个项目中，Sutton 的团队目前正在研究为什么蚱蜢在跳跃过程中无法控制地旋转。 在他们的实验中，他们为这些昆虫配备了微小的加重礼帽，以改变它们的重心。 研究人员发现，这足以阻止蚱蜢在空中旋转，理论上这可能会让蚱蜢更好地控制着陆。 Sutton 和他的团队不知道为什么这些昆虫没有在头部增加一点重量来保持这种稳定性。
但是，虽然对于我们来说，作为有骨折风险的相对较大的生物，坠机着陆听起来很危险，但对于较小的生物来说，问题就不那么严重了。 “这是一种缩放现象，”Essner 说。 他说，随着尺寸的增加，体重增加的速度比支撑骨骼的横截面积更快，这决定了它们的强度。 与大象相比，老鼠有很多骨头来支撑它的最小质量。
Essner 说，小型生物“不会因跌倒而受到任何伤害”。 埃斯纳补充说，可能没有足够强大的选择压力迫使蚱蜢和南瓜蟾蜍进化出正确着陆的能力，这让它们可以进化出其他对它们的生存更重要的能力。
重新思考极限
霍克斯团队机器人正在经历自己的进化。 研究人员正在与美国国家航空航天局合作，将他们的设备开发成一个功能齐全的机器人，可以在其他世界收集样本，使用受控跳跃来快速穿越长距离。 肖说，在没有大气层、没有空气阻力、重力只有地球六分之一的月球上，机器人理论上可以跳跃超过 400 米。 他们希望在未来五年左右将其发射到月球上。
如果其他星球上有生命，它可能会教给我们关于跳跃的新知识。 萨顿说，在较低的重力下，跳跃可能比飞行更容易、更快，因此生物体可能会进化出“马里奥式的跳跃角色”。
外星生命的肌肉可能也有不同的工作方式，也许是它们自己的棘轮式能量储存解决方案。 “也许他们有非常荒谬的生物力学结构，[这样] 他们可以以更复杂的方式储存能量，”圣皮埃尔说。
但即使在地球上，动物也继续给研究人员带来惊喜。 正如一项警示性研究表明的那样，动物的最大跳跃表现并不总是我们想象的那样。
每年，加利福尼亚州卡拉维拉斯县都会举办一次跳跃的青蛙禧年，其灵感来自 马克吐温著名的短篇小说. 据报道，在这些集市上，牛蛙水平跳跃了 2 米，“远远超出了应有的范围，”说 亨利·阿斯特利，阿克伦大学的助理教授。 此前已知牛蛙最多跳跃约 1.3 米。 所以大约十年前，当 Astley 开始他的博士工作时，他前往加利福尼亚解决这个问题。
在禧年，他和他的同事租了一些青蛙，吃了一些漏斗蛋糕，然后开始工作。 通过分析来自比赛团队和公众的蛙跳数据，他们发现这些报道并不夸张。 他们记录的超过一半的跳跃比文献中的跳跃更远。 他们最终意识到（并且 稍后详述 在 Sutton 所说的“有史以来最伟大的跳跃论文”中）至少部分原因是青蛙的动机不同。 在卡拉维拉斯县比赛的户外环境中，青蛙害怕“青蛙骑师”，即那些以高速向青蛙进行全身弓步的人。 但在实验室里，这种戏剧性的动作并不常见，青蛙并不害怕任何人。 他们只是想一个人呆着。
