世界微头条丨小型生物如何产生世界上最快的快照 跳跃和拳击

当涉及到超快速和轻量级的东西时，机器人无法对跳跃最快的昆虫和其他小而强大的生物持蜡烛。

新的研究可以帮助解释为什么大自然仍然击败机器人，并描述了机器如何带头。

(资料图片仅供参考)

拿捣碎的螳螂虾，一种比拇指大不多的小甲壳类动物。它的锤状口器可以反复传递每小时69英里的冲击力，比眨眼速度快100倍以打破硬壳蜗牛壳。

或者不起眼的陷阱蚂蚁：在0到60的比赛中，即使是速度最快的高速赛车也几乎没有机会对抗其下垂的下颌骨，在不到一毫秒的时间内达到每小时超过140英里的速度来刺伤它们的猎物。

地球上已知最快的加速度之一就是九头蛇的刺痛。这些柔软的水生生物通过沿着触须的胶囊帮助保护自己，就像加压气球一样。当被触发时，它们会发射一连串的微型毒刺，它们比子弹的速度快100倍。

在4月27日出版的“ 科学 ”杂志的一项研究中，研究人员描述了一种新的数学模型，可以帮助解释这些和其他微生物如何产生强大的罢工，扼杀，跳跃和拳击。该模型还可以建议设计小型，自然风格的机器人的方法，这些机器人在功率或速度方面更接近生物对应物。

杜克大学生物学副教授希拉·帕特克说，这些生物爆炸性运动的秘密不是强大的肌肉，而是弹簧加载的部位，它们可以像弓箭手一样翘起并释放。

坚韧而有弹性的肌腱，角质层和其他弹性结构像弹弓一样伸展和释放，为它们的跳跃和按扣提供动力。

例如，一种叫做青蛙的短腿昆虫，有一种叫做胸膜的弓状结构，就像弹簧一样。腿上的闩锁状突起控制其释放，尽管腿短，但它们的体长可超过100倍。拥有那么多力量的人可以跳过近两个足球场。

然而，马萨诸塞州阿默斯特大学的博士后研究员马克·伊尔顿说，目前尚不清楚这些机制如何协同增强力量。

虽然传统的性能数学模型考虑到了肌肉的固有物理权衡 - 它可以有力地或快速地收缩，但不能同时收缩 - 它们也不能考虑弹簧和闩锁式机制固有的权衡。换句话说，没有什么能够同时更快，更强大，更强大。

“到目前为止，这些其他组件大多是黑盒子，”Patek说。

研究人员开发了一种小尺度快速运动的数学模型，其中包含对弹簧和闩锁的约束。

“我们的目标之一是尝试开发一种同样适用于生物或工程系统的模型，”加州大学欧文分校生态和进化生物学助理教授Manny Azizi说，他研究跳蛙。

首先，他们汇总了104种精英植物和动物运动员的体型和最高速度和加速度数据。他们将数据与微型机器人的类似测量结果进行了比较，这些机器人受到超快速运动的启发，例如展开变色龙舌头，捕捉金星飞陷阱和跳跃昆虫。

通过结合生物和合成弹簧和闩锁的性能权衡，研究人员希望更好地了解诸如弹簧质量，刚度，材料成分和闩锁几何形状等变量如何与肌肉或马达一起工作以影响力量。

该模型允许研究人员输入一组弹簧，闩锁和肌肉或运动参数，并获取有关个体理论最大速度，加速度和给定重量下性能的其他方面的详细信息。

该模型对工程师有重大影响。这表明机器人还不能跳过跳蚤，部分原因是这种快速，可重复的动作需要对组件进行精细的微调。

但该模型为研究人员提供了一种工具，用于设计小型，快速移动的机器人，这些机器人具有更精确匹配的组件，可以更好地协同工作以提高性能，马里兰大学机械工程副教授Sarah Bergbreiter说，他制造的跳跃机器人的大小与一只蚂蚁。

例如，如果您想要设计一个特定尺寸的机器人，它可以让您更好地探索您想要的弹簧类型，您需要什么样的电机，以及您需要什么样的闩锁才能获得最佳性能。那个尺寸规模，并了解这些设计选择的后果，“Bergbreiter说。

Azizi说，对于生物学家来说，该模型还可用于确定不同弹簧动力生物群的上限和下限重量限制，给出变量，例如他们的身体由哪些弹性材料制成。

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