Stephen Dalton/Fonte Científica
Os robôs podem superar as limitações de quão alto e longe os animais podem pular, mas seu sucesso apenas ressalta a engenhosidade da natureza em aproveitar ao máximo o que está disponível.
No verão de 2021, no topo das falésias costeiras de Santa Bárbara, Califórnia, Chris Keeley, então estudante de graduação na universidade próxima, agachou-se para tirar um pacote de metal e borracha de sua mochila. Era um robô, que ele passou vários minutos dando corda.
Quando terminou, ele gravou na câmera de seu iPhone e viu o robô se lançar no ar, desenhar um arco alto no céu e pousar perfeitamente perto de seus pés. Keeley ficou aliviado; muitos saltos de teste anteriores falharam. Não foi até mais tarde naquela noite, quando ele voltou para seu quarto e baixou os dados de salto em seu laptop que ele percebeu o quão bem havia funcionado.
O saltador atingiu uma altura recorde de cerca de 32,9 metros, como Keeley e seus colaboradores, liderados por Elliot Hawkes, pesquisador de engenharia mecânica da Universidade da Califórnia, Santa Barbara, relataram em abril na Nature. Não só ele saltou mais de três vezes mais alto do que outros robôs experimentais construídos para essa tarefa, ele saltou mais de 14 vezes mais alto do que qualquer outra criatura no reino animal. Com toda a probabilidade, o robô deles saltou mais alto do que qualquer coisa já tinha na Terra.
“Acho que este é um dos poucos robôs que realmente supera a biologia, e a maneira como supera a biologia é incrivelmente inteligente”, disse Ryan St. Pierre, professor assistente do departamento de engenharia mecânica e aeroespacial da Universidade de Buffalo que não esteve envolvido no estudo.
O sucesso do robô destaca as limitações físicas que os saltadores biológicos enfrentam na natureza. Embora essas limitações impeçam os humanos de pular para o supermercado como se estivessem em pula-pula e impedir que os sapos caiam das nuvens, a biologia surgiu com suas próprias soluções engenhosas que empurram a altura e o comprimento do salto o mais longe possível. , através de pequenos ajustes biomecânicos adaptados às necessidades de salto de cada animal.
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Mesmo os engenheiros por trás do maior saltador do mundo ainda estão maravilhados com os designs da própria biologia. Agora, “para todos os lugares que olho, vejo saltos”, disse Keeley. “Eu não posso me ajudar.”
O ato de pular
Um salto é um ato de movimento causado pela aplicação de força ao solo sem perda de massa, escreveram os pesquisadores; assim, um foguete, que perde combustível ao ser lançado, ou uma flecha, que sai de seu arco, não conta.
Os músculos são os motores biológicos que fornecem a energia para os movimentos. Para pular, você se agacha, contraindo suas panturrilhas e outros músculos, um processo que converte a energia química disponível nos músculos em energia mecânica. Os tendões, tecidos elásticos que conectam os músculos ao esqueleto, transmitem essa energia mecânica aos ossos, que usam essa energia para empurrar o solo para impulsionar o corpo para cima.
O salto funciona de maneiras surpreendentemente semelhantes em tamanhos e escalas no reino animal – mas algumas peculiaridades do design biomecânico permitem que certas criaturas ultrapassem os limites biológicos. A potência de um salto é equivalente a quanta energia está disponível para o mecanismo de salto por unidade de tempo durante o impulso. Quanto mais energia seus músculos gerarem e quanto mais rápido você sair do chão, mais poderoso será o salto.
Mas à medida que os animais ficam menores, suas pernas ficam mais curtas e ficam em contato com o solo por menos tempo durante o lançamento. Eles, portanto, precisam ser capazes de liberar a energia para um salto com rapidez explosiva. Para essas criaturas menores, a natureza apresentou uma solução criativa: armazenar a maior parte da energia do salto em tecidos altamente elásticos que funcionam como molas biológicas, explicou Greg Sutton, professor e pesquisador da Universidade de Lincoln, na Inglaterra.
Elliot Hawkes, Chris Keeley e Kirk Fields/UCSB
Ao retornar ao seu comprimento original, as molas podem liberar essa energia armazenada muito mais rápido do que os músculos, o que aumenta a potência disponível para o salto. Como resultado, alguns dos melhores saltadores do mundo biológico são aqueles que usam molas.
Por exemplo, um gafanhoto armazena a energia dos músculos das patas traseiras em molas localizadas nas articulações. Essas molas, que parecem feijões-de-lima, permitem que o gafanhoto coloque 20 a 40 vezes mais potência por unidade de massa em seu salto do que um músculo humano. Embora o poder total do gafanhoto seja muito menor do que um humano saltador gera, sua densidade de poder, ou poder por unidade de massa, é muito maior. Como resultado, o gafanhoto pode saltar a uma altura de cerca de 0,5 metro – o mesmo que os humanos, em média, mas dezenas de vezes o comprimento do corpo do gafanhoto.
O aumento de potência que os gafanhotos obtêm de suas molas é insignificante em comparação com o que alguns outros pequenos saltadores podem reunir. As pulgas podem atingir de 80 a 100 vezes a densidade de potência dos músculos humanos, enquanto os insetos chamados froghoppers podem gerar de 600 a 700 vezes mais. O segredo dos sapos é que sua mola para armazenar energia de salto está no tórax; a distância extra para a contração muscular permite a entrega de mais potência. “Seria como se os músculos do quadril, em vez de se prenderem à pélvis, fossem presos aos ombros”, disse Sutton.
Alguns animais, como os cangurus, não possuem molas separadas em seu desenho biomecânico, mas possuem sistemas musculares mais elásticos, como tendões que armazenam muita energia para saltar mais alto. O galago menor, por exemplo – um saltador superstar entre os vertebrados – tem tendões extremamente elásticos com os quais pode saltar mais de 2 metros de altura e até 12 vezes o comprimento do corpo. (Os tendões humanos armazenam um pouco de energia e podem agir como molas, mas não são nem remotamente tão eficazes quanto as versões mais elásticas em outros animais.)
Catraca
Por pelo menos meio século, os pesquisadores analisaram o desempenho de alguns desses incríveis jumpers biológicos para informar seus projetos de jumpers mecânicos. Mas este novo estudo pode marcar a primeira vez que engenheiros que projetam jumpers mecânicos perceberam que “você não precisa fazer o que a biologia está fazendo”, disse Sheila Patek, professora de biologia da Duke University.
O novo robô atingiu alturas recordes de salto ao superar uma restrição em projetos biológicos e fazer o que os animais não podem. “Músculos não podem fazer catraca,” disse Sutton. Mesmo que os músculos transfiram a energia de sua contração para uma mola anexada, quando eles se alongam novamente, essa energia é liberada. A energia disponível para impulsionar um salto é, portanto, limitada ao que uma flexão de um músculo pode fornecer.
Mas no robô de corda, uma trava mantém a mola esticada na posição entre os movimentos de manivela, de modo que a energia armazenada continua se acumulando. Este processo de catraca multiplica a quantidade de energia armazenada disponível para lançar o eventual salto. Além disso, disse Sutton, a seção transversal quadrada da mola do robô permite que ele armazene duas vezes mais energia do que as molas biológicas, que têm um design mais triangular.
Por que as criaturas biológicas não desenvolveram alguma habilidade de aumentar seus músculos ou se mover mais alto, mais longe e mais rápido?
Os músculos são evolutivamente muito antigos; eles não diferem muito entre insetos e humanos. “Nós temos músculos de nossos ancestrais sem espinha dorsal”, disse Sutton. “Mudar as propriedades fundamentais dos bits é muito difícil para a evolução.”
Se houvesse mais pressão evolutiva para pular muito alto, “acho que teríamos evoluído saltadores muito altos”, disse Charlie Xiao, estudante de doutorado e coautor com Keeley e outros no novo estudo do robô. Mas sapos, gafanhotos e humanos precisam ser construídos não apenas para pular, mas para se reproduzir, encontrar comida, escapar de predadores e fazer tudo o que a vida exige.
Richard Essner, professor de ciências biológicas da Southern Illinois University Edwardsville, explicou como essas trocas podem funcionar. Não há muitas situações em que você gostaria de pular direto, disse ele. Na maioria das vezes, quando sapos e outras pequenas criaturas precisam de poder de salto, é porque estão tentando escapar de um predador atrás deles. Então o sapo quer colocar rapidamente a maior distância possível entre ele e o predador. O sapo provavelmente diminuirá seu ângulo de decolagem, achatando sua trajetória para pular mais longe em vez de mais alto – mas provavelmente não o mais longe possível, porque pular para a segurança geralmente envolve uma série de saltos. A maioria das rãs dobra as pernas sob o corpo no ar para que, no instante da aterrissagem, estejam prontas para pular novamente.
Surpreendentemente, nem sempre há pressão da seleção natural para pousar corretamente após um grande salto. Recentemente, no Science Advances, Essner e sua equipe relataram que os anfíbios chamados sapos de abóbora, alguns dos quais são menores que a ponta de um lápis afiado, quase sempre caem quando saltam. Seu tamanho minúsculo está na raiz do problema: como outros animais, os sapos obtêm seu senso de equilíbrio do sistema vestibular em seu ouvido interno. Mas como seu sistema vestibular é pequeno, é relativamente insensível à aceleração angular, deixando os sapos mal equipados para se ajustarem a cair durante um salto.
Luiz F. Ribeiro
Eles não estão sozinhos em aterrissar mal: os gafanhotos também são “terríveis nisso”, disse Sutton.
Em um projeto liderado pela estudante de pós-graduação Chloe Goode, o grupo de Sutton está atualmente estudando por que os gafanhotos giram incontrolavelmente durante seus saltos. Em seus experimentos, eles equiparam os insetos com pequenas cartolas pesadas para mudar seu centro de gravidade. Os pesquisadores descobriram que isso foi suficiente para impedir que os gafanhotos girassem no ar, o que, em teoria, poderia dar aos gafanhotos mais controle sobre o pouso. Sutton e sua equipe não têm ideia de por que os insetos não evoluíram com um pouco mais de peso na cabeça para essa estabilidade.
Mas enquanto um pouso forçado parece perigoso para nós como criaturas relativamente grandes em risco de quebrar ossos, é menos problemático para criaturas menores. “É um fenômeno de escala”, disse Essner. Com o aumento do tamanho, a massa corporal aumenta mais rapidamente do que a área transversal dos ossos de suporte, o que determina sua força, disse ele. Comparado a um elefante, um camundongo tem muitos ossos que sustentam sua massa mínima.
Pequenas criaturas “simplesmente não sofrem nenhum dano de quedas”, disse Essner. Pode não ter havido pressão de seleção forte o suficiente para obrigar gafanhotos e sapinhos de abóbora a desenvolver a capacidade de pousar corretamente, o que os liberou para desenvolver outras habilidades mais importantes para sua sobrevivência, acrescentou Essner.
Repensando os limites
O robô da equipe Hawkes está passando por uma evolução própria. Os pesquisadores estão trabalhando com a NASA para desenvolver seu dispositivo em um robô totalmente funcional que poderia coletar amostras em outros mundos, usando saltos controlados para percorrer rapidamente longas distâncias. Na lua, onde não há atmosfera, nem resistência do ar e apenas um sexto da gravidade da Terra, o robô poderia, teoricamente, saltar mais de 400 metros, disse Xiao. A esperança deles é lançá-lo à Lua nos próximos cinco anos.
Biblioteca de fotos da Getty/Science
E se houver vida em outros planetas, pode ter coisas novas para nos ensinar sobre saltos. Em gravidades mais baixas, pular pode se tornar mais fácil e rápido do que voar, então os organismos podem evoluir “personagens de salto como Mario”, disse Sutton.
A vida alienígena também pode ter músculos que funcionam de maneira diferente, talvez com suas próprias soluções para armazenamento de energia. “Talvez eles tenham estruturas biomecânicas realmente ridículas, [de modo] que possam armazenar energia de uma maneira muito mais complicada”, disse St. Pierre.
Mas mesmo na Terra, os animais continuam a surpreender os pesquisadores. Como um estudo preventivo mostrou, o desempenho máximo de salto de um animal nem sempre é o que podemos pensar.
Todos os anos, Calaveras County, Califórnia, hospeda um Jumping Frog Jubilee inspirado no famoso conto de Mark Twain. Nessas feiras, rãs-touro teriam saltado 2 metros na horizontal, “descontroladamente fora do reino do que deveria ser”, disse Henry Astley, professor assistente da Universidade de Akron. As rãs-touro já eram conhecidas por saltar no máximo cerca de 1,3 metros. Então, cerca de uma década atrás, quando Astley embarcou em seu trabalho de doutorado, ele viajou para a Califórnia para resolver a questão.
No jubileu, ele e seus colegas alugaram alguns sapos, comeram um bolo de funil e começaram a trabalhar. Ao analisar dados de saltos de sapos de equipes de competição e membros do público em geral, eles descobriram que os relatórios não eram um exagero. Mais da metade dos saltos registrados foram mais distantes do que os da literatura. Eles finalmente perceberam (e mais tarde detalharam no que Sutton chama de “o maior artigo de salto já escrito”) que pelo menos parte do motivo da discrepância era que as motivações dos sapos eram diferentes. No cenário ao ar livre da competição do Condado de Calaveras, os sapos tinham medo de “jóqueis sapos”, pessoas que realizavam investidas de corpo inteiro em direção aos sapos em alta velocidade. Mas no laboratório, onde esses movimentos dramáticos não eram comuns, os sapos não tinham medo de ninguém; eles simplesmente queriam ser deixados em paz.
Publicado em 16/09/2022 22h04
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