Ρομπότ που σπάει ρεκόρ υπογραμμίζει τον τρόπο με τον οποίο τα ζώα κάνουν Excel στο Jumping

Το καλοκαίρι του 2021, στην κορυφή των παράκτιων βράχων της Σάντα Μπάρμπαρα της Καλιφόρνια, ο Κρις Κίλι, τότε φοιτητής στο κοντινό πανεπιστήμιο, έσκυψε για να βγάλει από το σακίδιο του μια δέσμη από μέταλλο και καουτσούκ. Ήταν ένα ρομπότ, το οποίο ξόδεψε αρκετά λεπτά για να το τελειώσει.

Όταν τελείωσε, σημείωσε ρεκόρ στην κάμερα του iPhone του και είδε το ρομπότ να εκτοξεύεται ψηλά στον αέρα, να σχεδιάζει ένα ψηλό τόξο στον ουρανό και να προσγειώνεται τακτοποιημένα κοντά στα πόδια του. Ο Keeley ανακουφίστηκε. πολλά προηγούμενα δοκιμαστικά άλματα είχαν αποτύχει. Μόλις αργότερα εκείνο το βράδυ, όταν επέστρεψε στην κρεβατοκάμαρά του και κατέβασε τα δεδομένα άλματος στον φορητό υπολογιστή του, συνειδητοποίησε πόσο καλά είχε λειτουργήσει.

Ο άλτης είχε φτάσει σε ύψος ρεκόρ περίπου 32,9 μέτρων, όπως ανέφεραν τον Απρίλιο στο Nature ο Keeley και οι συνεργάτες του, με επικεφαλής τον Elliot Hawkes, ερευνητή μηχανολογίας στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Μπάρμπαρα. . Όχι μόνο είχε πηδήξει περισσότερο από τρεις φορές υψηλότερα από άλλα πειραματικά ρομπότ που κατασκευάστηκαν για αυτήν την εργασία, αλλά είχε πηδήξει πάνω από 14 φορές υψηλότερα από οποιοδήποτε άλλο πλάσμα στο ζωικό βασίλειο. Κατά πάσα πιθανότητα, το ρομπότ τους πήδηξε ψηλότερα από οτιδήποτε άλλο στη Γη.

«Πιστεύω ότι αυτό είναι ένα από τα πολύ λίγα ρομπότ που έχει πραγματικά καλύτερη απόδοση στη βιολογία και ο τρόπος με τον οποίο ξεπερνά τη βιολογία είναι απίστευτα έξυπνος», δήλωσε ο Ryan St. Pierre, επίκουρος καθηγητής στο τμήμα μηχανολογίας και αεροδιαστημικής μηχανικής στο Πανεπιστήμιο του Buffalo που δεν συμμετείχε στη μελέτη.

Η επιτυχία του ρομπότ αναδεικνύει τους φυσικούς περιορισμούς που αντιμετωπίζουν οι βιολογικοί άλτες στη φύση. Αν και αυτοί οι περιορισμοί εμποδίζουν τους ανθρώπους να πάνε στο μπακάλικο σαν να είναι πάνω σε μπαστούνια pogo και εμποδίζουν τους βατράχους να πέσουν από τα σύννεφα, η βιολογία έχει βρει τις δικές της έξυπνες λύσεις που ωθούν το ύψος και το μήκος του άλματος όσο πιο μακριά μπορούν , μέσω μικρών εμβιομηχανικών τροποποιήσεων προσαρμοσμένων στις ανάγκες άλματος κάθε ζώου.

Ακόμη και οι μηχανικοί πίσω από τον μεγαλύτερο άλτη στον κόσμο εξακολουθούν να αισθάνονται δέος για τα σχέδια της ίδιας της βιολογίας. Τώρα, «όπου κι αν κοιτάξω βλέπω να πηδάω», είπε ο Keeley. "Δεν μπορώ να συγκρατηθώ."

Η Πράξη του Άλματος

Ένα άλμα είναι μια πράξη κίνησης που προκαλείται από την εφαρμογή δύναμης στο έδαφος χωρίς απώλεια οποιασδήποτε μάζας, έγραψαν οι ερευνητές. Επομένως, ένας πύραυλος που χάνει καύσιμο κατά την εκτόξευση ή ένα βέλος που φεύγει από το τόξο του δεν μετράει.

Οι μύες είναι οι βιολογικοί κινητήρες που παρέχουν την ενέργεια για κινήσεις. Για να πηδήξετε, σκύβετε, συσπώνοντας τις γάμπες σας και άλλους μύες, μια διαδικασία που μετατρέπει τη χημική ενέργεια που είναι διαθέσιμη στους μύες σε μηχανική ενέργεια. Οι τένοντες, οι ελαστικοί ιστοί που συνδέουν τους μύες με τον σκελετό, μεταδίδουν αυτή τη μηχανική ενέργεια στα οστά, τα οποία χρησιμοποιούν αυτήν την ενέργεια για να σπρώξουν το έδαφος για να ωθήσουν το σώμα προς τα πάνω.

Το άλμα λειτουργεί με εκπληκτικά παρόμοιους τρόπους σε μεγέθη και κλίμακες στο ζωικό βασίλειο - αλλά ορισμένες ιδιορρυθμίες εμβιομηχανικής σχεδίασης επιτρέπουν σε ορισμένα πλάσματα να ωθήσουν τα βιολογικά όρια. Η ισχύς ενός άλματος είναι ισοδύναμη με το πόση ενέργεια είναι διαθέσιμη στον μηχανισμό άλματος ανά μονάδα χρόνου κατά τη διάρκεια της ώθησης. Όσο περισσότερη ενέργεια παράγουν οι μύες σας και όσο πιο γρήγορα κατεβείτε από το έδαφος, τόσο πιο δυνατό θα είναι το άλμα.

Αλλά καθώς τα ζώα γίνονται μικρότερα, τα πόδια τους κοντύνονται και έρχονται σε επαφή με το έδαφος για λιγότερο χρόνο κατά την εκτόξευση. Πρέπει επομένως να μπορούν να απελευθερώσουν την ενέργεια για ένα άλμα με εκρηκτικό ξαφνικό. Για αυτά τα μικρότερα πλάσματα, η φύση βρήκε μια δημιουργική λύση:αποθήκευση του μεγαλύτερου μέρους της ενέργειας άλματος σε εξαιρετικά ελαστικούς ιστούς που λειτουργούν ως βιολογικά ελατήρια, εξήγησε ο Γκρεγκ Σάτον, καθηγητής και ερευνητής στο Πανεπιστήμιο του Λίνκολν στην Αγγλία.

Όταν επιστρέφουν στο αρχικό τους μήκος, τα ελατήρια μπορούν να απελευθερώσουν αυτή την αποθηκευμένη ενέργεια πολύ πιο γρήγορα από ότι οι μύες, γεγονός που αυξάνει τη διαθέσιμη ισχύ για το άλμα. Ως αποτέλεσμα, μερικά από τα καλύτερα άλματα στον βιολογικό κόσμο είναι αυτά που χρησιμοποιούν ελατήρια.

Για παράδειγμα, μια ακρίδα αποθηκεύει την ενέργεια των μυών του πίσω ποδιού της σε ελατήρια που βρίσκονται στις αρθρώσεις. Αυτά τα ελατήρια, που μοιάζουν με φασόλια λίμα, επιτρέπουν στην ακρίδα να βάζει στο άλμα της 20 έως 40 φορές περισσότερη ισχύ ανά μονάδα μάζας από ό,τι μπορεί ένας ανθρώπινος μυς. Αν και η συνολική ισχύς της ακρίδας είναι πολύ μικρότερη από αυτή που παράγει ένας άνθρωπος που πηδά, η πυκνότητα ισχύος της ή η ισχύς της ανά μονάδα μάζας είναι πολύ μεγαλύτερη. Ως αποτέλεσμα, η ακρίδα μπορεί να πηδήξει σε ύψος περίπου 0,5 μέτρων — το ίδιο κατά μέσο όρο που μπορούν οι άνθρωποι, αλλά δεκάδες φορές το μήκος του σώματος της ακρίδας.

Η ώθηση ισχύος που παίρνουν οι ακρίδες από τα ελατήρια τους ωχριά σε σύγκριση με ό,τι μπορούν να συγκεντρώσουν κάποια άλλα μικροσκοπικά άλτες. Οι ψύλλοι μπορούν να επιτύχουν 80 έως 100 φορές μεγαλύτερη πυκνότητα ισχύος από τους ανθρώπινους μυς, ενώ τα έντομα που ονομάζονται βατραχοπόπερα μπορούν να δημιουργήσουν 600 έως 700 φορές περισσότερη. Το μυστικό των βατραχοπόπερων είναι ότι το ελατήριο για την αποθήκευση της ενέργειας άλματος βρίσκεται στον θώρακά τους. η επιπλέον απόσταση για τη συστολή των μυών επιτρέπει την παροχή περισσότερης δύναμης. "Θα ήταν σαν οι μύες του ισχίου σας, αντί να προσκολλώνται στη λεκάνη σας, να συνδέονται με τους ώμους σας", είπε ο Σάτον.

Μερικά ζώα, όπως τα καγκουρό, δεν έχουν ξεχωριστά ελατήρια στον εμβιομηχανικό σχεδιασμό τους, αλλά έχουν πιο ελαστικά μυϊκά συστήματα, όπως τένοντες που αποθηκεύουν πολλή ενέργεια για να πηδούν ψηλότερα. Το μικρότερο γαλάγο, για παράδειγμα - ένας άλτης σούπερ σταρ μεταξύ σπονδυλωτών - έχει εξαιρετικά ελαστικούς τένοντες με τους οποίους μπορεί να πηδήξει πάνω από 2 μέτρα ύψος και έως και 12 φορές το μήκος του σώματός του. (Οι ανθρώπινοι τένοντες αποθηκεύουν λίγη ενέργεια και μπορούν να λειτουργήσουν σαν ελατήρια, αλλά δεν είναι τόσο αποτελεσματικοί όσο οι πιο ελατηριωτές εκδόσεις σε άλλα ζώα.)

Καταστολή

Για τουλάχιστον μισό αιώνα, οι ερευνητές έχουν αναλύσει την απόδοση ορισμένων από αυτούς τους καταπληκτικούς βιολογικούς βραχυκυκλωτήρες για να ενημερώσουν τα σχέδιά τους για μηχανικούς βραχυκυκλωτήρες. Αλλά αυτή η νέα μελέτη μπορεί να σηματοδοτήσει την πρώτη φορά που οι μηχανικοί που σχεδιάζουν μηχανικούς βραχυκυκλωτήρες συνειδητοποίησαν ότι "δεν χρειάζεται να κάνετε αυτό που κάνει η βιολογία", δήλωσε η Sheila Patek, καθηγήτρια βιολογίας στο Πανεπιστήμιο Duke.

Το νέο ρομπότ έφτασε σε ύψη ρεκόρ άλματος ξεπερνώντας έναν περιορισμό στα βιολογικά σχέδια και κάνοντας ό,τι δεν μπορούν τα ζώα. «Οι μύες δεν μπορούν να καστανώσουν», είπε ο Σάτον. Ακόμα κι αν οι μύες μεταφέρουν την ενέργεια της συστολής τους σε ένα προσαρτημένο ελατήριο, όταν επιμηκύνονται ξανά, αυτή η ενέργεια απελευθερώνεται. Επομένως, η διαθέσιμη ενέργεια για την οδήγηση ενός άλματος περιορίζεται σε αυτό που μπορεί να προσφέρει μια κάμψη ενός μυός.

Αλλά στο ρομπότ περιέλιξης, ένα μάνδαλο συγκρατεί το τεντωμένο ελατήριο στη θέση του μεταξύ των κινήσεων με τη μίζα, έτσι η αποθηκευμένη ενέργεια συνεχίζει να συσσωρεύεται. Αυτή η διαδικασία καστάνιας πολλαπλασιάζει την ποσότητα της αποθηκευμένης ενέργειας που είναι διαθέσιμη για την εκτόξευση του ενδεχόμενου άλματος. Επιπλέον, είπε ο Sutton, η τετράγωνη διατομή του ελατηρίου του ρομπότ του επιτρέπει να αποθηκεύει διπλάσια ενέργεια από τα βιολογικά ελατήρια, τα οποία έχουν πιο τριγωνικό σχεδιασμό.

Γιατί τα βιολογικά πλάσματα δεν εξέλιξαν κάποια ικανότητα να κτυπούν τους μύες τους ή να κινούνται με άλλο τρόπο ψηλότερα, μακρύτερα και πιο γρήγορα;

Οι μύες είναι εξελικτικά πολύ παλιοί. δεν διαφέρουν τόσο μεταξύ των εντόμων και των ανθρώπων. «Πήραμε μυς από τους μεγάλους-προ-προ-προ-προ-προ-προ-μεγάλους προγόνους μας χωρίς ραχοκοκαλιά», είπε ο Σάτον. "Η αλλαγή των θεμελιωδών ιδιοτήτων των bit είναι πραγματικά δύσκολη για την εξέλιξη."

Αν υπήρχε περισσότερη εξελικτική πίεση για να πηδήξουμε πολύ ψηλά, «υποθέτω ότι θα είχαμε εξελιχθεί πραγματικά άλτες σε ύψος», είπε ο Charlie Xiao, διδακτορικός φοιτητής και συν-συγγραφέας με τον Keeley και άλλους στη νέα μελέτη ρομπότ. Ωστόσο, οι βάτραχοι, οι ακρίδες και οι άνθρωποι πρέπει να χτιστούν όχι μόνο για να πηδούν, αλλά και να αναπαράγονται, να βρίσκουν τροφή, να ξεφεύγουν από τα αρπακτικά και να κάνουν ό,τι άλλο απαιτεί η ζωή.

Ο Richard Essner, καθηγητής βιολογικών επιστημών στο South Illinois University Edwardsville, εξήγησε πώς μπορούν να λειτουργήσουν αυτές οι ανταλλαγές. Δεν υπάρχουν πολλές περιπτώσεις όπου θα ήθελες να πηδήξεις ευθεία, είπε. Τις περισσότερες φορές, όταν οι βάτραχοι και άλλα μικρά πλάσματα χρειάζονται δύναμη άλματος, είναι επειδή προσπαθούν να ξεφύγουν από ένα αρπακτικό πίσω τους. Τότε ο βάτραχος θέλει να τοποθετήσει γρήγορα όσο το δυνατόν μεγαλύτερη απόσταση μεταξύ του και του αρπακτικού. Ο βάτραχος πιθανότατα θα μειώσει τη γωνία απογείωσης του, ισοπεδώνοντας την τροχιά του για να πηδήξει μακρύτερα παρά ψηλότερα - αλλά πιθανότατα όχι όσο πιο μακριά μπορεί, επειδή το άλμα προς την ασφάλεια συνήθως περιλαμβάνει μια σειρά από πηδήματα. Οι περισσότεροι βάτραχοι διπλώνουν τα πόδια τους κάτω από το σώμα τους στον αέρα, έτσι ώστε τη στιγμή της προσγείωσης, να είναι έτοιμοι να πηδήξουν ξανά.

Παραδόξως, δεν υπάρχει πάντα πίεση φυσικής επιλογής για να προσγειωθεί σωστά μετά από ένα μεγάλο άλμα. Πρόσφατα στο Εξέλιξη της Επιστήμης , ο Έσνερ και η ομάδα του ανέφεραν ότι τα αμφίβια αποκαλούσαν κολοκυθάκια, μερικά από τα οποία είναι μικρότερα από την άκρη ενός ακονισμένου μολυβιού, σχεδόν πάντα προσγειώνονται όταν πηδούν. Το μικροσκοπικό τους μέγεθος είναι η ρίζα του προβλήματός τους:Όπως και άλλα ζώα, οι βάτραχοι έχουν την αίσθηση της ισορροπίας τους από το αιθουσαίο σύστημα στο εσωτερικό τους αυτί. Επειδή, όμως, το αιθουσαίο σύστημα τους είναι μικρό, είναι σχετικά μη ευαίσθητο στη γωνιακή επιτάχυνση, αφήνοντας τους βατράχους ανεπαρκώς εξοπλισμένους ώστε να προσαρμόζονται για να υποχωρούν κατά τη διάρκεια ενός άλματος.

Δεν είναι μόνοι που προσγειώνονται άσχημα:Οι Grasshoppers είναι "απλά απαίσιοι σε αυτό", είπε ο Sutton.

Σε ένα έργο υπό την ηγεσία της μεταπτυχιακής φοιτήτριας Chloe Goode, η ομάδα του Sutton μελετά επί του παρόντος γιατί οι ακρίδες περιστρέφονται ανεξέλεγκτα κατά τα άλματά τους. Στα πειράματά τους, εξόπλισαν τα έντομα με μικροσκοπικά ζυγισμένα καπέλα για να μετατοπίσουν το κέντρο βάρους τους. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι αυτό ήταν αρκετό για να σταματήσει η ακρίδα να περιστρέφεται στον αέρα, κάτι που θεωρητικά θα μπορούσε να δώσει στις ακρίδες περισσότερο έλεγχο στην προσγείωσή τους. Ο Σάτον και η ομάδα του δεν έχουν ιδέα γιατί τα έντομα δεν εξελίχθηκαν με λίγο περισσότερο βάρος στο κεφάλι τους για αυτή τη σταθερότητα.

Όμως, ενώ μια προσγείωση σύγκρουσης ακούγεται επικίνδυνη για εμάς ως σχετικά ογκώδη πλάσματα που κινδυνεύουν να σπάσουν οστά, είναι λιγότερο προβληματική για μικρότερα πλάσματα. «Είναι ένα φαινόμενο κλιμάκωσης», είπε ο Έσνερ. Με την αύξηση του μεγέθους, η μάζα σώματος αυξάνεται πιο γρήγορα από την περιοχή της διατομής των οστών στήριξης, η οποία καθορίζει τη δύναμή τους, είπε. Σε σύγκριση με έναν ελέφαντα, ένα ποντίκι έχει πολλά οστά που υποστηρίζουν την ελάχιστη μάζα του.

Τα μικρά πλάσματα «απλώς δεν υφίστανται καμία ζημιά από πτώσεις», είπε ο Έσνερ. Μπορεί να μην υπήρξε αρκετά ισχυρή πίεση επιλογής ώστε να υποχρεωθούν οι ακρίδες και τα κολοκυθοκεφτέδες να εξελίξουν την ικανότητα να προσγειώνονται σωστά, κάτι που τους έδωσε τη δυνατότητα να αναπτύξουν άλλες ικανότητες πιο σημαντικές για την επιβίωσή τους, πρόσθεσε ο Έσνερ.

Επανεξετάζοντας τα όρια

Το ρομπότ της ομάδας Hawkes υφίσταται μια δική του εξέλιξη. Οι ερευνητές συνεργάζονται με τη NASA για να αναπτύξουν τη συσκευή τους σε ένα πλήρως λειτουργικό ρομπότ που θα μπορούσε να συλλέγει δείγματα από άλλους κόσμους, χρησιμοποιώντας ελεγχόμενα άλματα για να διασχίσει γρήγορα μεγάλες αποστάσεις. Στο φεγγάρι, όπου δεν υπάρχει ατμόσφαιρα, δεν υπάρχει αντίσταση αέρα και μόνο το ένα έκτο της βαρύτητας της Γης, το ρομπότ θα μπορούσε θεωρητικά να πηδήξει πάνω από 400 μέτρα, είπε ο Xiao. Η ελπίδα τους είναι να το εκτοξεύσουν στο φεγγάρι τα επόμενα πέντε περίπου χρόνια.

Και αν υπάρχει ζωή σε άλλους πλανήτες, μπορεί να έχει νέα πράγματα να μας διδάξει σχετικά με το άλμα. Σε χαμηλότερη βαρύτητα, το άλμα θα μπορούσε να γίνει ευκολότερο και ταχύτερο από το πέταγμα, έτσι οι οργανισμοί μπορεί να εξελίξουν «χαρακτήρες που μοιάζουν με τον Mario», είπε ο Sutton.

Η εξωγήινη ζωή μπορεί επίσης να έχει μύες που λειτουργούν διαφορετικά, ίσως με τις δικές τους λύσεις αποθήκευσης ενέργειας που μοιάζουν με καστάνια. «Ίσως έχουν πραγματικά γελοίες εμβιομηχανικές δομές, [τέτοιες] που μπορούν να αποθηκεύουν ενέργεια με πολύ πιο περίπλοκο τρόπο», είπε ο St. Pierre.

Αλλά ακόμη και στη Γη, τα ζώα συνεχίζουν να εκπλήσσουν τους ερευνητές. Όπως έδειξε μια προειδοποιητική μελέτη, η μέγιστη απόδοση άλματος ενός ζώου δεν είναι πάντα αυτή που θα μπορούσαμε να σκεφτούμε.

Κάθε χρόνο, η κομητεία Calaveras της Καλιφόρνια φιλοξενεί ένα Jumping Frog Jubilee εμπνευσμένο από το διάσημο διήγημα του Mark Twain. Σε αυτές τις εκθέσεις, οι ταυροβάτραχοι αναφέρθηκαν ότι έχουν πηδήξει 2 μέτρα οριζόντια, «άγρια ​​έξω από τη σφαίρα αυτού που θα έπρεπε να είναι», είπε ο Henry Astley, επίκουρος καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Akron. Οι ταυροβάτραχοι ήταν γνωστό ότι πηδούσαν το πολύ 1,3 μέτρα. Έτσι, πριν από περίπου μια δεκαετία, όταν ο Astley ξεκίνησε τη διδακτορική του εργασία, ταξίδεψε στην Καλιφόρνια για να διευθετήσει το ζήτημα.

Στο ιωβηλαίο, αυτός και οι συνάδελφοί του νοίκιασαν μερικά βατράχια, έφαγαν ένα κέικ με χωνί και έπιασαν δουλειά. Αναλύοντας δεδομένα για άλματα βατράχων από ομάδες αγώνων και μέλη του ευρύτερου κοινού, ανακάλυψαν ότι οι αναφορές δεν ήταν υπερβολές. Περισσότερα από τα μισά άλματα που κατέγραψαν ήταν μακρύτερα από αυτά στη βιβλιογραφία. Τελικά συνειδητοποίησαν (και αργότερα εξήγησαν σε αυτό που ο Σάτον αποκαλεί «το μεγαλύτερο χαρτί που γράφτηκε ποτέ») ότι τουλάχιστον μέρος της αιτίας της διαφοράς ήταν ότι τα κίνητρα των βατράχων διέφεραν. Στο υπαίθριο σκηνικό του διαγωνισμού της κομητείας Calaveras, τα βατράχια φοβόντουσαν τους «βατραχατζήδες», τους ανθρώπους που εκτελούσαν ολόσωμα πτήσεις προς τους βατράχους σε υψηλές ταχύτητες. Αλλά στο εργαστήριο, όπου τέτοιες δραματικές κινήσεις δεν ήταν συνηθισμένες, τα βατράχια δεν φοβήθηκαν κανέναν. ήθελαν απλώς να μείνουν μόνοι.