2021 년 여름, 캘리포니아 산타 바바라 (Santa Barbara)의 해안 절벽 꼭대기에 근처 대학교 (Cris Keeley)의 학부생은 배낭에서 금속과 고무 묶음을 꺼내겠다고 웅크 리고있었습니다. 그는 로봇이었고, 그는 몇 분 동안 켜져있었습니다.
그가 끝났을 때, 그는 iPhone의 카메라에 기록을 쳤고 로봇이 공중으로 높이 올라가는 것을 보았고, 하늘에서 키가 큰 호를 그리고 그의 발 근처에 깔끔하게 착륙했습니다. Keeley는 안심했다. 이전의 많은 테스트 점프가 실패했습니다. 그날 밤까지 그가 침실로 돌아와서 점프 데이터를 자신의 노트북에 다운로드하여 얼마나 잘 작동했는지 깨달았습니다.
점퍼는 산타 바바라 (Santa Barbara)의 캘리포니아 대학교 (University of California)의 기계 공학 연구원 인 엘리엇 호크스 (Elliot Hawkes)가 이끄는 Keeley와 그의 공동 작업자가 4 월에 본 Nature Nature 에 보도되면서 약 32.9 미터의 기록적인 높이에 도달했습니다. . 그 작업을 위해 건설 된 다른 실험 로봇보다 3 배 이상 높아 졌을뿐만 아니라 동물 왕국의 다른 생물보다 14 배 이상 증가했습니다. 모든 가능성에 따라, 그들의 로봇은 지구상에서 가지고있는 것보다 높았습니다.
버팔로 대학교 (University of Buffalo)의 기계식 및 항공 우주 공학부 조교수 인 Ryan St. Pierre는“이것은 실제로 생물학을 능가하는 로봇 중 하나라고 생각합니다.
로봇의 성공은 생물학적 점퍼가 야생에서 직면하는 물리적 한계를 강조합니다. 이러한 제한으로 인해 인간은 포고 스틱에있는 것처럼 식료품 점으로 뛰어 다니지 않고 개구리가 구름에서 떨어지지 않도록 막아냅니다. 생물학은 각 동물의 점프 요구에 맞는 작은 생체 역학적 조정을 통해 점프 높이와 길이를 밀어 넣는 독창적 인 해결 방법을 제시했습니다.
.세계 최고의 점퍼 뒤에있는 엔지니어조차도 여전히 생물학 자체의 디자인에 경외심을 느낍니다. Keeley는 이제“어디에서나 점프하는 것을 본다”고 말했다. "나는 나 자신을 도울 수 없다."
점프 행위
점프는 덩어리의 상실없이 힘을 땅에 적용함으로써 발생하는 운동 행위라고 연구원들은 썼다. 따라서 발사시 연료를 잃는 로켓이나 활을 남기는 화살은 계산하지 않습니다.
근육은 움직임을위한 에너지를 제공하는 생물학적 모터입니다. 점프하기 위해, 당신은 송아지와 다른 근육을 수축시키고, 근육에서 이용할 수있는 화학 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 과정 인 당신은 웅크 리고 웅크 리고 있습니다. 힘줄, 근육을 골격에 연결하는 신축성있는 조직은 기계적 에너지를 뼈에 전달합니다.
점프는 동물 왕국의 크기와 비늘에서 놀랍게도 비슷한 방식으로 작동하지만 일부 생체 역학적 디자인 퀴크는 특정 생물이 생물학적 한계를 밀어 넣을 수있게합니다. 점프의 힘은 푸시 오프 동안 시간 단위당 점프 메커니즘에 얼마나 많은 에너지를 사용할 수 있는지와 동일합니다. 근육이 생성되고 땅에서 더 빨리 내릴수록 점프가 더 강력 해집니다.
그러나 동물이 작아지면 다리가 짧아지고 발사 중에 더 적은 시간 동안 땅과 접촉합니다. 따라서 폭발적인 갑작스런 점프를 위해 에너지를 방출 할 수 있어야합니다. 이 작은 생물들에게 자연은 창의적인 해결책을 제시했습니다. 생물학적 스프링으로 일하는 매우 탄력있는 조직에 대부분의 점프 에너지를 저장했다고 영국 링컨 대학교의 교수이자 연구 연구원은 설명했다.
.
원래 길이로 돌아갈 때, Springs는 근육이 캔보다 훨씬 빠르게 저장된 에너지를 방출 할 수있어 점프에 사용할 수있는 전력이 증가합니다. 결과적으로 생물학적 세계에서 가장 좋은 점퍼 중 일부는 스프링을 사용하는 것입니다.
예를 들어, 메뚜기는 뒷다리 근육의 에너지를 관절에 위치한 스프링에 저장합니다. 리마 콩처럼 보이는 스프링은 메뚜기가 인간 근육보다 질량 당 20 ~ 40 배 더 많은 전력을 도약 할 수 있습니다. 메뚜기의 총 전력은 점프하는 인간이 생성하는 것보다 훨씬 적지 만, 전력 밀도 또는 질량 단위당 전력은 훨씬 높습니다. 결과적으로 메뚜기는 약 0.5 미터의 높이로 점프 할 수 있습니다. 평균적으로 인간이 할 수있는 것과 동일하지만 메뚜기의 신체 길이는 수십 배입니다.
메뚜기가 다른 작은 점퍼가 소집 할 수있는 것과 비교하여 스프링 헛간에서 얻는 힘 향상. 벼룩은 인간 근육의 전력 밀도의 80 ~ 100 배를 달성 할 수있는 반면, 개구리라고 불리는 곤충은 600 ~ 700 배보다 생성 할 수 있습니다. Froghoppers의 비밀은 점프 에너지를 저장하기위한 봄이 흉부에 있다는 것입니다. 근육 수축을위한 여분의 거리는 더 많은 전력을 전달할 수 있습니다. Sutton은“고관절이 골반에 부착하는 대신 어깨에 부착하는 대신 엉덩이 근육이 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 어깨에 부착 된 것처럼 보일 것입니다.
캥거루와 같은 일부 동물은 생체 역학 설계에 별도의 샘이 없지만 더 높은 점프를위한 많은 에너지를 저장하는 힘줄과 같은 탄성 근육 시스템이 더 많습니다. 예를 들어 척추 동물의 슈퍼 스타 점퍼 인 Lesser Galago는 매우 신축성이 높은 힘줄을 가지고있어 2 미터 이상 높이, 신체 길이의 최대 12 배까지 도약 할 수 있습니다. (인간의 힘줄은 약간의 에너지를 저장하고 스프링처럼 행동 할 수 있지만 다른 동물의 더 스프 스모이어 버전만큼 효과적이지 않습니다.)
래칫
적어도 반세기 동안, 연구자들은이 놀라운 생물학적 점퍼의 성능을 분석하여 기계 점퍼 설계에 알리기 시작했습니다. 그러나이 새로운 연구는 기계식 점퍼를 설계하는 엔지니어들이 처음으로“생물학이하는 일을 할 필요가 없다”고 깨달았을 것입니다.
새로운 로봇은 생물학적 디자인에 대한 제약을 극복하고 동물이 할 수없는 일을함으로써 레코드 점프 높이에 도달했습니다. 서튼은“근육은 래칫 할 수 없다”고 말했다. 근육이 수축의 에너지를 부착 된 스프링으로 전달하더라도 다시 연장 할 때 그 에너지가 방출됩니다. 따라서 점프를 운전하는 데 사용할 수있는 에너지는 근육의 원시가 제공 할 수있는 것과 제한됩니다.
그러나 윈드 업 로봇에서 래치는 크랭크 움직임 사이에 뻗어있는 스프링을 유지하므로 저장된 에너지는 계속 쌓입니다. 이 래칫 프로세스는 최종 점프를 시작하는 데 사용할 수있는 저장된 에너지의 양을 곱합니다. 또한 Sutton은 로봇의 스프링의 제곱 단면을 통해 삼각형 디자인을 가진 생물학적 스프링보다 두 배나 많은 에너지를 저장할 수 있다고 Sutton은 말했다.
생물학적 생물이 왜 근육을 래칫하거나 더 멀리, 더 빠르게 움직일 수있는 능력을 발전시키지 않았습니까?
근육은 진화론 적으로 아주 오래되었습니다. 그들은 곤충과 인간 사이에 크게 다르지 않습니다. Sutton은“우리는 위대한 위대한 위대한 백 보조 조상에서 근육을 얻었습니다. “비트의 기본 속성을 바꾸는 것은 진화하기가 정말 어렵습니다.”
Keeley와 다른 사람들과의 공동 저자 인 Charlie Xiao는 새로운 로봇 연구에서“우리가 정말 높은 점퍼를 진화시킬 것 같아요.”라고 말했습니다. 그러나 개구리, 메뚜기 및 인간은 점프뿐만 아니라 재생산, 음식 찾기, 포식자를 탈출하고 생명을 요구하는 모든 것을 수행하기 위해 만들어 져야합니다.
Southern Illinois University Edwardsville의 생물 과학 교수 인 Richard Essner는 이러한 트레이드 오프가 어떻게 작동 할 수 있는지 설명했습니다. 그는 당신이 똑바로 뛰어 올라 가고 싶은 상황이 많지 않다고 말했다. 대부분의 경우 개구리와 다른 작은 생물들이 점프 힘이 필요할 때, 그들은 포식자를 피하려고하기 때문입니다. 그런 다음 개구리는 가능한 한 그 자체와 포식자 사이에 빠른 거리를 빨리 배치하기를 원합니다. 개구리는 이륙 각도를 줄여서 궤적을 평평하게하여 더 높아지는 것이 아니라 더 멀리 점프 할 수 있습니다. 그러나 안전을 향한 호핑에는 일반적으로 일련의 홉이 포함되기 때문일 수 있습니다. 대부분의 개구리는 다리를 공중에 접어서 즉시 착륙 할 때 다시 점프 할 준비가되도록합니다.
놀랍게도, 큰 점프 후에 제대로 착륙 해야하는 자연 선택 압력이 항상있는 것은 아닙니다. 최근 과학 발전 , Essner와 그의 팀은 호박 토디 렛 (Pumpkin Toadlets)이라고 불리는 양서류가 늘어나고있는 연필의 끝보다 작으며, 거의 항상 점프 할 때 충돌 시킨다고보고했다. 그들의 작은 크기는 문제의 근원에 있습니다. 다른 동물들과 마찬가지로 개구리는 내부의 전정 시스템에서 균형 감을 얻습니다. 그러나 그들의 전정 시스템이 작기 때문에, 그것은 각도 가속에 비교적 무감각하며, 개구리는 점프 중에 텀블링을 조정할 수 있도록 장비를 갖추지 못하게한다.
.그들은 심하게 착륙 할 때 혼자가 아닙니다. 메뚜기도“그냥 끔찍합니다”라고 서튼은 말했다.
대학원생 클로이 굿 데 (Chloe Goode)가 이끄는 프로젝트에서, 서튼 그룹은 현재 점박이가 점프하는 동안 통제 할 수없는 이유를 연구하고 있습니다. 그들의 실험에서, 그들은 곤충들에게 작은 가중 상단 모자를 뿌려 무게의 중심을 이동시켰다. 연구원들은 이것이 메뚜기가 공중에서 회전하는 것을 막기에 충분하다는 것을 발견했습니다. 이는 이론적으로 메뚜기들에게 상륙을 더 많이 통제 할 수 있습니다. 서튼과 그의 팀은 왜 곤충이 그 안정성을 위해 머리에 약간 더 무게로 진화하지 않았는지 전혀 모른다.
그러나 충돌 착륙은 뼈를 부러 뜨릴 위험이있는 비교적 대규모 생물로서 우리에게 위험한 소리를냅니다. 작은 생물에게는 덜 문제가되지 않습니다. Essner는“이것은 스케일링 현상입니다. 크기가 증가함에 따라 체질량은지지 뼈의 단면적보다 더 빨리 증가하여 강도를 결정한다고 그는 말했다. 코끼리와 비교할 때, 마우스는 최소 질량을 넓히는 뼈가 많이 있습니다.
소규모 생물은“폭포로 인한 피해를 입지 않습니다.”라고 Essner는 말했습니다. Essner는 덧붙였다. Essner는 덧붙였다. Essner는 덧붙였다. Essner는 덧붙였다.
는 덧붙였다.한계를 다시 생각합니다
호크스 팀 로봇은 자체의 진화를 겪고 있습니다. 연구원들은 NASA와 협력하여 장거리를 신속하게 가로 질러 통제 된 점프를 사용하여 다른 세계에서 샘플을 수집 할 수있는 완전히 기능하는 로봇으로 장치를 개발하고 있습니다. Xiao는 분위기가없고 공기 끌기가없고 지구 중력의 6 분의 1만이 로봇은 이론적으로 400 미터 이상을 뛰어 넘을 수 있다고 Xiao는 말했다. 그들의 희망은 앞으로 5 년 동안 달로 발사하는 것입니다.
그리고 다른 행성에 생명이 있다면 점프에 관해 우리에게 가르쳐야 할 새로운 것들이있을 수 있습니다. 중력이 낮 으면 점프가 날아가는 것보다 점프가 쉬워 질 수 있으므로 유기체는“마리오 같은 점프 캐릭터”를 진화시킬 수 있다고 Sutton은 말했다.
외계인의 삶에는 아마도 에너지 저장에 대한 래칫과 같은 솔루션으로 다르게 작동하는 근육이있을 수 있습니다. 세인트 피에르 (St. Pierre)는“아마도 그들은 훨씬 더 복잡한 방식으로 에너지를 저장할 수 있다는 정말 우스운 생체 역학적 구조를 가지고있을 것입니다.
그러나 지구상에서도 동물들은 계속해서 연구원들을 놀라게합니다. 하나의주의 연구에서 알 수 있듯이, 동물의 최대 점프 성능이 항상 우리가 생각하는 것은 아닙니다.
캘리포니아 주 칼라 베라스 카운티는 매년 Mark Twain의 유명한 단편 소설에서 영감을 얻은 점프 개구리 주빌리를 주최합니다. 이 박람회에서, Bullfrogs는 수평으로 2 미터를 뛰어 넘는 것으로 알려졌다.“Akron University의 조교수 인 Henry Astley는 말했다. Bullfrogs는 이전에 최대 약 1.3 미터로 점프하는 것으로 알려져있었습니다. 약 10 년 전, Astley가 박사 과정을 시작했을 때, 그는 문제를 해결하기 위해 캘리포니아로 여행했습니다.
주빌리에서 그와 그의 동료들은 개구리를 빌려 깔때기 케이크를 먹었고 일을 시작했습니다. 그들은 경쟁 팀과 일반 대중의 개구리 점프 데이터를 분석함으로써 보고서가 과장이 아니라는 것을 발견했습니다. 그들이 기록한 점프의 절반 이상이 문헌의 점프보다 더 멀었습니다. 그들은 결국 불일치의 이유 중 적어도 일부는 개구리의 동기가 다르다는 것을 깨달았습니다. Calaveras County Competition의 야외 환경에서 개구리는“개구리 기수”를 두려워했습니다. 그러나 그러한 극적인 움직임이 일반적이지 않은 실험실에서는 개구리가 누구에게도 두려워하지 않았습니다. 그들은 단지 홀로 남겨두고 싶었습니다.
