생물 학자 J.B.S.는“갈릴레오는 300 년 전에 반대를 보여 주었지만, 사람들은 여전히 벼룩이 사람만큼 크면 천 피트를 공중으로 뛰어 올릴 수 있다고 믿는다. 그의 유쾌한 1926 에세이에서 Haldane, 올바른 크기 . 갈릴레오의 제곱 큐브 법칙은 물체가 커질 때 (예를 들어, 일부 선형 계수 n 에 의해 확립되었습니다. ), 그들의 표면적과 부피는 훨씬 빠르게 증가합니다 ( n 및 n 각각). Haldane은 가상의 6 피트 벼룩의 점프 근육은 절대로 축소 된 무게로 보이게 할 수 없다고 설명했다.
.표면적과 부피가 물체의 선형 치수보다 빠르게 증가한다는 사실은 생물학에 심오하고 광범위한 영향을 미칩니다. 모든 생명체는 먹이를주고 숨을 쉬고 돌아 다니지 만, 그들에게 사용되는 다양한 메커니즘은 특정 크기 영역 내에서 가장 잘 작동하는 생물 물리학에 의존합니다. 유기체가 점점 커지면 규모에 적합한 솔루션이 필요합니다.
광범위한 문헌은 Haldane의 에세이 이후 수십 년 동안 유기체가 어떻게 규모의 도전에 대처하는지 조사했지만 발견은 계속 이루어졌습니다. 최근 과학의 논문 벼룩, 개미, 만티스 새우 및 기타 작은 생물이 발톱이나 턱으로 뛰어들 때 때때로 폭발하는 힘의 방출을 설명하고 정량화했습니다. 큰 근육이 부족한 그들은 적재 된 스프링과 같은 신체의 구조적 재료의 기계적 특성을 사용합니다. 이러한 공연을 달성하는 데있어서 Evolution의 독창성은 인간이 결국 자신의 도구와 무기로 발명 할 수있는 디자인을 예상했으며 오늘날보다 유능한 로봇 작업에서 연구원과 엔지니어들에게 영감을주고 있습니다.
운동 및 호흡
생체 역학 연구의 고전적인 연구는 유기체의 크기의 영향을 탐구했습니다. 예를 들어, 더 커지고 무거워지면 동물의 운동과 자세에 문제가 발생합니다.
Brown University의 생체 역학 연구원 인 Thomas Roberts는“마우스에서 코끼리로 갈 때, 궁극적으로 힘을 결정하는 횡단 면적 인 뼈의 양은 동물의 질량만큼 빨리 증가하지 않습니다. 그는 뼈가 부러지는 것을 막기 위해 큰 동물이 뼈의 하중 부담 부분에 체중을 더 잘 분포시키는 더 똑바로 똑바로 채택되는 원주민 자세를 채택한다고 말했다. 기린의 키가 크고 대부분 수직 구조를 생각해보십시오.
반대로, 신체의 크기가 줄어들면 질량은 단면적보다 빠르게 감소합니다. Roberts는 형상이 외골격을 만들고 근육이 더 큰 생물보다 불균형 적으로 더 강하기 때문에 개미는 체질량을 여러 배나 쉽게 운반 할 수 있다고 Roberts는 말했다.
크기는 동물이 호흡하는 방법에도 중요합니다. 곤충과 같은 작은 것들은 각 세포의 신진 대사 요구를 직접 서비스하기 위해 신체를 통과하는 기관 튜브의 산소 확산에 의존하는 반면, 큰 생물은 폐 또는 아가미와 활성 순환 시스템이 조직에 충분한 산소를 전달하기 위해 (및 중요하게도, 세포의 대상 폐기물을 제거)를 필요로합니다. 1997 년 과학 에서 1997 년에 논란의 여지가있는 논문에서 , Geoffrey West는 현재 Santa Fe Institute, New Mexico University의 James Brown 및 애리조나 대학교의 Brian Enquist 에서이 분기 순환 네트워크의 기하학은 Kleiber의 법칙으로 알려진 패턴을 설명 할 수 있다고 주장했다. 작은 파편에서 큰 푸른 고래에 이르기까지 대사율은 3/4 권력으로 대량으로 조정 된 것으로 보인다. 푸른 고래와 과일 파리의 세포는 거의 같은 크기이지만, 고래의 세포는 대사율이 낮습니다. West, Brown 및 Enquist는 차이가 이러한 분기 산소 및 영양소 전달 시스템의 형상이 신체 크기로 규모되는 방식과 관련이 있다고 주장했습니다.
기관 튜브로의 산소 확산이 곤충 호흡을위한 것이지만 더 큰 동물의 경우에는 효과가없는 것처럼, 다른 생물학적 설계 전략은 특정 크기에서 잘 작동하지만 더 크거나 작은 것에서는 다루기 어려워집니다. 개미, 랍스터 및 기타 많은 무척추 동물은 키친 외골격으로 신체를 지원하지만 훨씬 더 큰 생물의 경우 뼈 내부 골격이 더 나은 해결책이되었습니다. 큰 외골격은 너무 제한 적이거나 무겁거나 약해져 파손되기 쉽습니다.
.근육, 스프링 및 걸쇠
근육의 힘은 규모가 중요한 또 다른 영역입니다. 스폰지와 같은 단순한 동물을 제외한 거의 모든 다세포 동물은 움직일 근육에 의존하며, 모든 근육은 단백질과 미오신의 필라멘트가 서로 지나서 힘을 생산하는 수축 섬유의 형태를 사용합니다. 근육은 전력 킬로그램 당 약 100 ~ 300 와트를 생성 할 수 있습니다 (전력은 시간당 전달되는 에너지의 양입니다).
그러나 작은 동물은 근육 전력만으로는 해결할 수없는 문제에 직면합니다. 예를 들어, 달리면 작은 동물의 다리가 각 단계에서 매우 짧은 순간 동안 만지면과 접촉하여 각 보폭이 방출 될 수있는 에너지의 양을 제한합니다.
이 문제를 해결하기 위해 많은 작은 동물들이 신체의 유연한 구조물을 샘으로 사용하여 궁수의 활처럼 수탉과 방출 할 수 있습니다. 스프링은 작은 동물이 에너지를 천천히 저장 한 다음 한 번에 모두 방출하여 그 힘을 증폭시킬 수있게합니다.
예를 들어, Froghopper라고 불리는 곤충은 다리가 귀뚜라미와 메뚜기보다 훨씬 짧지 만 엄청난 점퍼입니다. 그것의 비밀은 다리 근육을 사용하여 흉부 또는 활으로 기능하는 흉부를 흉내내는 키친 외골격을 구부리기 위해 다리 근육을 사용한다는 것입니다. 래치는 활 안에 저장된 에너지를 보유합니다. 킬로그램 당 65,000 와트입니다. 래치가 방출되면 외골격은 원래 모양으로 돌아와서 개구리를 몸의 길이의 100 배를 던질 수있는 강력한 점프를 방출합니다.
이 Springy 솔루션은 점프 이상의 작업을 수행합니다. 트랩 턱 개미의 머리는 머리 안쪽의 근육이 궁수의 활처럼 구부릴 수있는 키친 외골격으로 덮여 있습니다. 활이 방출되면 킬로그램 당 200,000 와트의 생산량이 나고, 시간당 140 마일 이상의 속도로 불행한 먹이에서 하악골이 닫혔습니다. 포식자와 직면했을 때, 트랩 턱 개미는 또한 공중으로 자신을 추진할 수있는 충분한 힘으로 지하실에 닿아 빠르게 안전을 피할 수 있습니다.
.스프링의 사용은 곤충으로 제한되지 않습니다. 개구리가 웅크 리면 다리 근육은 긴 아킬레스 건처럼 봄처럼 뻗어 에너지를 저장합니다. 런던 대학교 수의학 대학 (Royal Veterinary College)의 고생물-로보틱스 (Paleo-Robotics) 연구원 인 크리스토퍼 리차드 (Christopher Richards)는 개구리의 도약을 발표한다고 말했다.
그러나 개구리가 저장된 권력을 풀기 위해 사용하는 걸쇠는 여전히 강렬한 논쟁의 대상으로 남아 있습니다.“이것이 백만 달러 규모의 질문입니다.”라고 Richards는 말했다. “아무도 개구리에서 해부학 적 걸쇠를 찾지 못했습니다. 내가 아는 한, 아무도 척추 동물 동물에서 걸쇠를 찾지 못했습니다.”
래치는 소수의 곤충과 갑각류 시스템에 대해서만 파악되었습니다. 래치 메커니즘은 갑각류의 외피 또는 곤충의 외골격으로 만들어진 쉽게 접근하기 쉬운 스프링과는 달리 래치 메커니즘은 일반적으로 동물의 몸 안에 있기 때문에 샘보다 찾기가 더 어렵습니다. 불행히도, 해부는 섬세한 봄과 래치 시스템을 파괴하여 살아있는 유기체에서 어떻게 작동하는지 결정하기가 어렵다고 브리스톨 대학의 생체 역학 연구원이자 엔지니어 인 그레고리 서튼 (Gregory Sutton)은 설명했다. 일반적으로 연구원들은 식별 된 봄에서 갑작스러운 권력의 방출로부터 걸쇠의 존재를 유추하게됩니다. Sutton은“근육이 스프링을 뻗어있는 모드에서 스프링이 반동하고 전원이 공급되는 모드로 시스템을 전환해야합니다.”라고 Sutton은 말했습니다.
발견 된 최초의 걸쇠는 스코틀랜드의 세인트 앤드류스 대학교 (University of St Andrews)의 윌리엄 제임스 하이틀러 (William James Heitler)가 1977 년에 묘사 한 메뚜기에서 발견 된 것입니다. 메뚜기는 기하학적 래치라고 불리는 것을 사용합니다. 다리의 반대 근육은 쌍으로 작동합니다. 첫째, 다리가 완전히 구부러지면 다리의 큰 근육이 봄을 싣고 작은 근육은 무릎 관절을 안정화시킵니다. 관절을 약간 움직이면 작은 근육은 두 근육의 순간의 팔을 변화시키고 관절이 통제 불능 상태로 회전하여 점프를 시작합니다.
.이상적인 스프링을 지나서 움직입니다.
소규모 생물이 사용하는 봄과 래치 시스템은 수십 년 동안 연구되어 왔지만 과학자들의 이해에 심각한 약점이있었습니다. Roberts는“지금까지 우리는 스프링 시스템이 에너지를 저장하고 전력을 공개하는 능력이 무제한 인 것처럼 크게 취급했습니다. 관련된 스프링의 질량이 체질량에 비해 무시할 수있는 경우 허용되는 가정입니다. 그러나 모든 스프링의 기계적 제약은 에너지를 내릴 때 자체 질량을 움직여야한다는 것이 필연적으로 스프링의 힘 출력을 움직이는 물체의 속도에 비례하는 방식으로 감소 시킨다는 것입니다. 작은 시스템의 경우, 스프링의 질량은 종종 총 질량의 상당한 부분이되어 고려해야합니다.
래치는 또한 스프링스를 즉시 방출하는 것처럼 이상적인 방식으로 모델링되었습니다. 그러나 래치가 봄에 저장된 에너지를 방출하는 속도는 중요하다고 밝혀졌습니다. 스프링의 하중이 얼마나 빨리 가속화 될 수 있는지 결정합니다. 동물이 생체 역학적 시스템에서 걸쇠를 얼마나 빨리 방출 할 수 있는지에 제한이 있다면, 성능도 제한 될 것입니다.
4 월 26 일 과학 논문, 학제 간, 물리학 자, 생리 학자, 생체 역학 연구원 및 재료 과학자 과학자들은 근육, 걸쇠 및 스프링의 실제 (이상화되지 않은) 특성을 명시 적으로 사용하는 새로운 이론적 모델을 제시했습니다.
이 논문의 선임 저자이자 Duke University의 부교수 인 Sheila Patek는“여기서 무엇이 중요한가가 권력의 길을 따라갈 수 있다는 것입니다. "우리는 스프링과 래치에 의해 어떤 시스템을 관리 해야하는지, 그리고 그로부터 혜택을받지 못하는지 확인할 수 있으며,이 전에는 말이되지 않은 생물학의 고전적인 스케일링 [문제]에 대해 훨씬 더 잘 처리 할 수 있습니다."
.Mantis Shrimp and Robots
Patek은 2002 년부터 엄지 손가락 스플릿으로 알려진 Mantis Shrimp의 행동과 생체 역학을 연구 해 왔습니다. 그들은 열린 달팽이 껍질을 깰 때 사용하는 이쑤시개 크기의 망치와 같은 작은 갑각류입니다.
"우리는 [인간]은 남은 생애 동안 두 개의 이쑤시개로 달팽이 껍질을 치고 달팽이 껍질을 끊지 않을 수 있습니다." 파테크가 말했다. 그러나 그녀와 그녀의 동료들이 보여 주듯이, Mantis Shrimp은 발톱에 힘을주는 래치 앤 스프링 시스템 때문에 그것을 할 수 있습니다. 근육은 키친 외골격 스프링에 저항을 가해지며, 아직 uncharacterized 래치와 함께 고정되어 있습니다. 그런 다음 래치가 방출되고 스프링은 초당 최대 30 미터의 속도로 해머를 바깥쪽으로 가속합니다. Patek는 이메일로 명확하게 밝혔습니다.
생물 학자들은 근육이 할 수 있고 할 수없는 일에 너무 집중되어 있었기 때문에 봄 자체를 크게 무시했다고 Patek은 설명했다. Patek는“망치를 밀 때 재료가 어떻게 행동하는지, 물론 래치가하는 일을 살펴 봐야합니다. 이제 팀은이 질문들을 논문에 공식적으로 제시했으며, 문제에 대해 이야기 할 어휘가 있기 때문에, 그들과 다른 사람들은 이제 다양한 생물학적 및 엔지니어링 시스템에 걸쳐 다양한 걸쇠와 스프링을 탐구하고 있습니다.
.예를 들어, Science 의 또 다른 공동 저자 College Park University의 기계 엔지니어 인 Sarah Bergbreiter 인 Paper, College Park는 검색 및 구조 (예 :지진 후 붕괴 된 건물의 잔해를 통과하기 위해), 우주 탐사 및 의료 용도 (작은 로봇은 약을 삼아서 내장 트랙의 생체를 잡을 수 있음)를 포함한 다양한 응용 분야를위한 마이크로 로봇을 설계합니다. 이 모든 작은 로봇은 충분한 전력으로 구멍을 움직이거나 점프하거나 펀치해야합니다. 이 아이디어는 자연에서 배운 몇 가지 교훈을 사용하여 소규모 로봇 디자인을 개선하는 것이며, 매사추세츠 대학교 애 머스트 (Amherst)의 물리학 자이자 재료 과학자 인 마크 일튼 (Mark Ilton)은
에 대해 설명했다.펜실베니아 주립 대학의 공동 저자이자 생물 학자 인 수잔 콕스 (Suzanne Cox)에 따르면 역사적으로 생물학적 시스템은 엔지니어링 된 시스템을 능가 했으며이 새로운 모델은 로봇이 따라 잡을 수있는 길을 열어 줄 수 있다고한다. 생물학은 유기체와 서식지 측면에서 매우 다양하지만 재료의 큰 도구 상자는 없다고 Patek은 말했다. 진화론 적 역사를 통해 셀룰로오스 (식물), 키틴, 콜라겐 및 레실린 (곤충에서 발견 된 탄성 단백질) (곤충에서 발견 된 탄성 단백질)은 생명체에서 기계 시스템의 전력 출력을 극대화하는 다양한 방법으로 조직되거나 형성되었습니다.
.엔지니어링 폴리머 과학 측면에서는 완전히 반대입니다. Patek은 재료 과학자들은 도구 상자에 큰 재료 세트를 가지고 있지만 일반적으로 이러한 재료를 상호 연결하거나 최적의 성능을 위해 재료를 형성하는 방법에 대해서는 많이 탐구하지 않았다고 말했다. Bergbreiter는“우리가 개발 한 프레임 워크를 통해 기본적 으로이 점프 시스템의 디자인 공간을 탐색 할 수 있습니다.
올바른 트릭에 대한 올바른 크기
스프링은 생물학에서 유용하지만, 모터 (로봇의 경우)와 근육 (동물의 경우)과 스프링 및 래치 시스템의 장점과 단점은 크기에 따라 다르게 균형을 이룰 것입니다. 일반적으로 스프링과 래치는 더 작은 크기에서 더 유리합니다. 로드 된 질량이 증가하고 관성이 스프링을 덜 효과적으로 만들면서 그들의 장점은 덜 명확 해집니다.
Georgia Institute of Technology의 생체 역학 엔지니어 인 Gregory Sawicki는“당신이 큰 경우 봄과 모터 사이의 선택은 명확하지 않습니다. “내가 크면 스프링과 같은 모터에서 기본적으로 동일한 성능을 얻을 수 있습니다. 따라서 모터가 더 다재다능하기 때문에 모터를 선택할 수 있습니다.” 특히, 운동이나 근육은 사용자에게 더 많은 통제력을 제공합니다. "에너지 흐름을보다 신중하게 제어하려면 이러한 탄도 스프링 시스템을 다루기가 어렵습니다."
스프링의 또 다른 단점은 스프링 앤 래치 시스템을 성능 제한으로 밀어 넣는 유기체가 파손에 대해 걱정해야한다는 것입니다. Patek은 Mantis Shrimp의 경우 자기 파괴를 피하는 문제가 심각하다고 언급했습니다. "그들은 몸에서 에너지를 꺼내야하고, 다시 돌아가서 다리의 근육을 찢지 않도록 노력한다"고 그녀는 말했다.
.Mantis Shrimp, 함정 개미, 개구리 및 기타 작은 것들도 스프링을 끊는 것에 대해 걱정해야합니다. 이 동물들은 평생 동안 팔다리에 사용할 샘과 걸쇠 세트 만 있습니다. 봄을 끊는 것은 치명적일 수 있습니다.
파손을 피하는 비결의 한 가지 비밀은 곤충이 날개 경첩과 기관 튜브에있는 Resilin이라는 고무 단백질 인 것으로 보입니다. 레일린은 또한 큐티클 스프링에서 발견되며, 여기서 키틴 아래의 얇은 층으로 구성됩니다. 실제로, 키틴과 레일린의 레이어링은 수백 년 전 뿔과 나무, 가죽, 나무로 만든 아처의 복합 활 디자인과 비슷합니다. 서튼은“복합 활은“손상에 저항하고 기계적 특성을 잃지 않고 반복적으로 사용될 수있다”고 Sutton은 설명했다. 다른 재료의 층은 작은 균열이 퍼지는 것을 방지하여 손상을 제한하고 동물이 치명적이되기 전에 균열을 복구 할 수있는 기회를 제공합니다. 복합 활의 디자인은 1545 년에 엘리자베스 1 퀸 (Queen Elizabeth I)과 케임브리지 학자의 교사 인 로저 아스 샴 (Roger Ascham)에 의해 묘사되었다.
유기체가 작아지면서 파손이 더 문제가됩니다. 결과적으로, 동물이 래치와 스프링을 최적으로 사용할 수있는 신체 크기 (너무 크거나 작지 않음)의 달콤한 반점이있는 것으로 보입니다. Haldane은 그의 에세이에서 가상의 거대 벼룩에 대한 제곱 큐브 법의 의미와 상대 근육 효율성에 대해 논의했습니다. 그러나 Patek과 동료의 작업에 비추어 Fleas의 점프 능력에 대한 실제 제한은 예를 들어 Mantis Shrimp의 강력한 스프링보다 훨씬 작은 작은 스프링이 너무 많은 스트레스를 견딜 수있는 것 같습니다.
Sutton은“깨지지 않고 엄청나게 작은 봄을 건설하기는 매우 어렵습니다. "그렇기 때문에 벼룩은 실제로 굉장히 좋은 점퍼가 아닙니다. 스프링은 관련된 힘을 다루기에 충분히 크지 않기 때문입니다."
.이 기사는 Scientificamerican.com에서 재 인쇄되었습니다.
