2021 年の夏、カリフォルニア州サンタバーバラの沿岸の崖の上で、当時近くの大学の学部生だったクリス キーリーは、かがんでバックパックから金属とゴムの束を取り出しました。それはロボットで、彼は数分かけて巻き上げました.
作業が終わった後、彼は iPhone のカメラで記録を取り、ロボットが空高く飛び上がり、空に高い弧を描き、足元にきれいに着地するのを見ました。キーリーはほっとした。以前の多くのテストジャンプは失敗しました。彼が寝室に戻り、ラップトップにジャンプ データをダウンロードしたのは、その夜遅くになってからでした。
カリフォルニア大学サンタバーバラ校の機械工学研究者であるエリオット・ホークスが率いるキーリーと彼の共同研究者が 4 月に Nature で報告したように、ジャンパーは約 32.9 メートルの記録破りの高さに達していました。 .このタスク用に構築された他の実験用ロボットの 3 倍以上の高さでジャンプしただけでなく、動物界の他のどの生物よりも 14 倍以上の高さでジャンプしました。おそらく、彼らのロボットは地球上でこれまでにないほど高くジャンプしました。
「これは実際に生物学を凌駕する数少ないロボットの 1 つだと思います。生物学を凌駕する方法は信じられないほど賢いです」研究に関与していないバッファロー。
ロボットの成功は、生物学的ジャンパーが野生で直面する身体的限界を浮き彫りにしています。これらの制限により、人間はあたかもポゴスティックに乗っているかのように食料品店に飛び乗ることができず、カエルが雲から落ちるのを防ぐことができますが、生物学はジャンプの高さと長さを可能な限り押し上げる独自の独創的な回避策を考え出しました. 、各動物のジャンプの必要性に合わせて調整された小さな生体力学的調整を通じて。
世界最高のジャンパーの背後にいるエンジニアでさえ、生物学独自の設計に畏敬の念を抱いています。今では、「どこを見てもジャンプしています」とキーリーは言いました。 「どうしようもない」
ジャンプする行為
ジャンプは、質量を失うことなく地面に力を加えることによって引き起こされる動きの行為である、と研究者は書いています。したがって、発射時に燃料を失うロケットや、弓から離れた矢はカウントされません。
筋肉は、運動のためのエネルギーを提供する生物学的モーターです。ジャンプするにはしゃがみ込み、ふくらはぎやその他の筋肉を収縮させます。これは、筋肉で利用可能な化学エネルギーを 機械エネルギーに変換するプロセスです。筋肉を骨格につなぐ伸縮性のある組織である腱は、その機械的エネルギーを骨に伝達し、骨はそのエネルギーを使用して地面を押し、体を上向きに推進します.
ジャンプは、動物界のサイズやスケールを超えて驚くほど同じように機能しますが、一部の生体力学的設計の癖により、特定の生き物が生物学的限界を押し上げることができます.ジャンプのパワーは、跳躍中に単位時間あたりにジャンプ機構が利用できるエネルギー量に相当します。筋肉がより多くのエネルギーを生成し、地面からの立ち上がりが速ければ速いほど、ジャンプはより強力になります。
しかし、動物が小さくなるにつれて、足が短くなり、発射中に地面と接触する時間が短くなります.したがって、爆発的な急激さでジャンプするためのエネルギーを解放できる必要があります。これらのより小さな生き物のために、自然は創造的な解決策を思いつきました。それは、跳躍エネルギーのほとんどを生物学的バネとして機能する非常に弾力性のある組織に蓄えることです、とイギリスのリンカーン大学の教授兼研究員である Greg Sutton は説明しました。
元の長さに戻ると、バネは筋肉よりもはるかに速く蓄えられたエネルギーを放出できるため、ジャンプに利用できるパワーが増加します.その結果、生物学の世界で最高のジャンパーの一部は、スプリングを使用するジャンパーです.
たとえば、バッタは後肢の筋肉のエネルギーを関節にあるバネに蓄えます。ライマメのように見えるこれらのバネにより、バッタは人間の筋肉よりも単位質量あたり 20 倍から 40 倍のパワーを跳躍に投入することができます。バッタの総パワーは、ジャンプする人間が生成するよりもはるかに小さいですが、そのパワー密度、つまり単位質量あたりのパワーははるかに高くなっています。その結果、バッタは約 0.5 メートルの高さまでジャンプできます。これは平均して人間と同じですが、バッタの体長の数十倍です。
バッタがスプリングから得るパワーブーストは、他の小さなジャンパーが集めることができるものと比較して見劣りします.ノミは人間の筋肉の 80 ～ 100 倍の出力密度を達成できますが、フロッグホッパーと呼ばれる昆虫は 600 ～ 700 倍の出力密度を生成できます。フロッグホッパーの秘密は、ジャンプエネルギーを蓄えるバネが胸部にあることです。筋肉収縮のための余分な距離により、より多くのパワーを届けることができます。 「腰の筋肉が骨盤ではなく、肩に付いているようなものです」とサットンは言いました。
カンガルーなどの一部の動物は、生体力学的設計に個別のバネを持っていませんが、より高くジャンプするために多くのエネルギーを蓄える腱など、より弾力性のある筋肉システムを持っています.たとえば、レッサー ガラゴ (脊椎動物のスーパースター ジャンパー) は非常に伸縮性のある腱を持っており、2 メートル以上の高さ、最大で体長の 12 倍を跳躍することができます。 (人間の腱は少しのエネルギーを蓄え、バネのように機能しますが、他の動物のバネのようなバージョンほど効果的ではありません.)
ラチェット
少なくとも半世紀の間、研究者はこれらの驚くべき生物学的ジャンパーのいくつかのパフォーマンスを分析して、機械的ジャンパーの設計に情報を提供してきました.しかし、この新しい研究は、メカニカル ジャンパーを設計するエンジニアが、「生物学が行っていることを行う必要はない」ことに初めて気付いた可能性があると、デューク大学の生物学教授 Sheila Patek は述べています。
新しいロボットは、生物学的設計の制約を克服し、動物ができないことを行うことで、ジャンプの高さの記録を達成しました。 「筋肉はラチェットできません」とサットンは言いました。筋肉が収縮のエネルギーを付属のバネに伝えたとしても、筋肉が再び伸びると、そのエネルギーは解放されます。したがって、ジャンプを駆動するために利用できるエネルギーは、筋肉の 1 回の屈曲で提供できるエネルギーに制限されます。
しかし、巻き取りロボットでは、ラッチが伸ばされたスプリングをクランキング動作の間の位置に保持するため、蓄積されたエネルギーが蓄積され続けます.このラチェット プロセスは、最終的なジャンプを開始するために利用できる蓄積エネルギーの量を増やします。さらに、Sutton 氏によると、ロボットのスプリングの断面が四角いため、より三角形のデザインの生物学的スプリングの 2 倍のエネルギーを蓄えることができます。
なぜ生物は、筋肉をラチェットで動かしたり、より高く、より遠く、より速く動く能力を進化させなかったのでしょうか?
筋肉は進化的に非常に古いものです。昆虫と人間の間でそれほど違いはありません。 「私たちは、偉大な偉大な偉大な偉大な偉大な偉大な背骨のない祖先から筋肉を手に入れました」とサットンは言いました. 「ビットの基本的な特性を変更することは、進化にとって非常に困難です。」
博士課程の学生で、キーリーらと新しいロボット研究の共著者であるチャーリー・シャオは、非常に高く跳べるような進化の圧力がもっとあったとしたら、「私たちは非常に高い跳躍選手を進化させていたと思います」と語った。しかし、カエル、バッタ、人間は、ジャンプするだけでなく、繁殖し、食べ物を見つけ、捕食者から逃れ、生命に必要なすべてのことを行うために構築する必要があります.
南イリノイ大学エドワーズビル校の生物科学教授であるリチャード・エスナーは、これらのトレードオフがどのように機能するかを説明しました.まっすぐ飛び上がりたいと思うような状況はあまりない、と彼は言いました。ほとんどの場合、カエルやその他の小さな生き物がジャンプ力を必要とするのは、背後にいる捕食者から逃れようとしているからです。次に、カエルは自分と捕食者との間にできるだけ距離を置きたいと考えます。カエルは離陸角度を減らし、軌道を平らにして高くジャンプするのではなく、より遠くにジャンプする可能性があります。ほとんどのカエルは、空中で足を体の下に折りたたむので、着陸の瞬間に再びジャンプする準備が整います.
驚くべきことに、大きなジャンプの後に適切に着地するための自然淘汰圧が常に存在するとは限りません。最近の Science Advances 、Essnerと彼のチームは、両生類がカボチャのヒキガエルと呼んでいることを報告しました。その中には、尖った鉛筆の先端よりも小さいものもあり、ほとんどの場合、ジャンプするとクラッシュして着陸します。その小さなサイズが問題の根底にあります。他の動物と同様に、カエルは内耳の前庭系から平衡感覚を得ます。しかし、彼らの前庭系は小さいため、角加速度の影響を比較的受けにくく、ジャンプ中のタンブリングに適応するための準備が整っていません。
着地がうまくいかないのはバッタだけではありません。バッタも「とにかくひどい」とサットン氏は言います。
大学院生のクロエ・グッドが率いるプロジェクトで、サットンのグループは現在、バッタがジャンプ中に制御不能に回転する理由を研究しています。彼らの実験では、重心を移動させるために、昆虫に小さな重みのあるシルクハットを装備しました。研究者たちは、これがバッタが空中で回転するのを止めるのに十分であることを発見しました。サットンと彼のチームは、なぜ昆虫がその安定性のために頭にもう少し体重をかけて進化しなかったのか見当がつきません.
しかし、不時着は骨を折る危険がある比較的大きな生き物である私たちにとっては危険に思えますが、小さな生き物にとってはそれほど問題ではありません。 「これはスケーリング現象です」と Essner 氏は言います。サイズが大きくなるにつれて、体重は支持骨の断面積よりも急速に増加し、それが骨の強度を決定する.ゾウと比べて、ネズミはその最小質量を支えている多くの骨を持っています.
小さな生き物は「落下によるダメージを受けません」とエスナー氏は言います。バッタやカボチャのヒキガエルが適切に着地する能力を進化させなければならないほど強い選択圧力がなかった可能性があり、その結果、生存にとってより重要な他の能力を進化させることができた、と Essner は付け加えた.
限界を再考
ホークスチームのロボットは独自の進化を遂げています。研究者はNASAと協力して、制御されたジャンプを使用して長距離をすばやく移動し、他の世界でサンプルを収集できる完全に機能するロボットにデバイスを開発しています.大気も空気抵抗もなく、重力も地球の 6 分の 1 しかない月では、ロボットは理論上 400 メートル以上ジャンプできると Xiao 氏は述べています。彼らの希望は、今後 5 年ほどで月に打ち上げられることです。
また、他の惑星に生命が存在する場合、ジャンプについて新しいことを教えてくれるかもしれません。より低い重力では、ジャンプは飛ぶよりも簡単かつ速くなる可能性があるため、生物は「マリオのようなジャンプキャラクター」に進化する可能性があります.
エイリアンの生命体には、異なる働きをする筋肉もあるかもしれません。おそらく、エネルギーを蓄えるための独自のラチェットのような解決策を持っているのでしょう。 「おそらく、彼らは非常にばかげた生体力学的構造を持っており、はるかに複雑な方法でエネルギーを蓄えることができます」と St. Pierre 氏は述べています。
しかし、地球上でさえ、動物は研究者を驚かせ続けています。ある警告研究が示したように、動物の最大の跳躍能力は、必ずしも私たちが考えているものとは限りません.
毎年、カリフォルニア州カラベラス郡では、マーク トウェインの有名な短編小説に着想を得たジャンピング フロッグ ジュビリーが開催されます。これらの見本市では、ウシガエルが水平方向に 2 メートルもジャンプしたと報告されており、「あるべき範囲を大きく超えて」いると、アクロン大学の助教授であるヘンリー アストリー氏は述べています。ウシガエルはこれまで、最大で約1.3メートルジャンプすることが知られていました。そのため、約 10 年前、アストリーが博士課程に着手したとき、彼は問題を解決するためにカリフォルニアに旅行しました。
記念日に、彼と彼の同僚はカエルを借り、じょうごケーキを食べ、仕事に取り掛かりました。競技チームと一般市民からのフロッグ ジャンプ データを分析することで、彼らは報告が誇張ではないことを発見しました。彼らが記録したジャンプの半分以上は、文献にあるものよりも遠くにありました。彼らは最終的に、両者の食い違いの理由の少なくとも一部は、カエルの動機の違いにあることに気付きました (そして、後にサットンが「これまでに書かれた中で最も偉大なジャンピング論文」と呼んでいるもので詳しく説明しました)。カラベラス郡の競技会の屋外設定では、カエルは「カエルのジョッキー」、つまりカエルに向かって全身を高速で突進する人々を恐れていました。しかし、そのような劇的な動きが一般的ではなかった実験室では、カエルは誰も怖がっていませんでした。彼らはただ放っておかれたかっただけです.
