En ny hoppeanordning kan hjelpe mennesker med å springe over andre planeter mens de utforsker.
Forskere sier de har laget en enhet som kan hoppe ut av ethvert dyr eller mekanisk maskin enten på jorden eller i verdensrommet.
Hopperen er i stand til å oppnå den høyeste høyden i jordens tyngdekraft – omtrent 100 fot – av enhver jumper til dags dato, konstruert eller biologisk.
Den er utviklet av UC Santa Barbara ingeniørprofessor Elliot Hawkes og medarbeidere, som sier at den representerer en ny tilnærming til design av hoppanordninger og fremmer forståelsen av hopping som en form for bevegelse.
Søknader for innovasjonen kan se at hoppende roboter kan komme til steder der bare flygende roboter nå når. Fordelene vil også være mer uttalt utenfor jorden også: Hoppende roboter kan reise over månen eller planetene effektivt.
“Motivasjonen kom fra et vitenskapelig spørsmål,” sa Hawkes, som som robotiker søker å forstå de mange mulige metodene for en maskin for å kunne navigere i miljøet. “Vi ønsket å forstå hva grensene var for konstruerte hoppere.”
Mens det er flere århundrer med studier på biologiske hoppere, og flere tiår med forskning på for det meste bioinspirerte mekaniske hoppere, sa han, har de to undersøkelseslinjene blitt holdt noe adskilt.
“Det hadde egentlig ikke vært en studie som sammenligner og kontrasterer de to og hvordan grensene deres er forskjellige – om konstruerte hoppere virkelig er begrenset til de samme lovene som biologiske hoppere er,” sa Hawkes.
Studien, publisert i tidsskriftet Nature, forklarer hvordan forskerne tok denne innsikten og designet en genser helt ulik biologiske hoppere – størrelsen på fjæren i forhold til motoren er nesten 100 ganger større enn den som finnes hos dyr. Videre utviklet de en ny fjær som forsøkte å maksimere energilagringen per masseenhet.
I deres hybride strekk-kompresjonsfjær blir kompresjonsbuer av karbonfiber klemt mens gummibånd strekkes ved å trekke i en line viklet rundt en motordrevet spindel. Teamet fant ut at det å knytte de utoverbøyde kantene på buene over midten med gummi i spenning også forbedret fjærens styrke.
“Overraskende nok gjør gummien kompresjonsbuefjæren sterkere,” sa Hawkes. “Du kan komprimere fjæren ytterligere uten at den går i stykker.”
Dean Murray/Zenger
Jumperen er også designet for å være lett, med en minimal låsemekanisme for å frigjøre energien for hoppet, og aerodynamisk, med bena folde inn for å minimere luftmotstand under flyging.
Til sammen gjør disse designfunksjonene det mulig å øke hastigheten fra 0 til 60 mph i 30 fot per sekund og nå omtrent 100 fots høyden i forskernes demonstrasjoner.
For motordrevne hoppere er dette “nær den mulige grensen for hopphøyde med tilgjengelige materialer,” ifølge studien.
Denne designen og evnen til å overskride grensene satt av biologiske design setter scenen for re-imagining av hopping som en effektiv form for maskinbevegelse. Hoppende roboter kan få steder som bare flygende roboter når for øyeblikket.
Fordelene vil også være mer uttalt utenfor jorden: Hoppende roboter kan reise over månen eller planeter effektivt, uten å håndtere hindringer på overflaten, samtidig som de får tilgang til funksjoner og perspektiver som ikke kan nås av terrengbaserte roboter.
«Vi regnet ut at enheten skulle kunne klare [410 feet] i høyden mens han hopper en halv kilometer [a third of a mile] fremover på månen,” sa Hawkes, og påpekte at månens tyngdekraft er 1/6 av den på jorden, og at det i utgangspunktet ikke er noe luftmotstand. “Det ville vært et stort sprang for konstruerte hoppere.”
Biologiske systemer har lenge fungert som de første og beste modellene for bevegelse, og det har vært spesielt sant for hopping, definert av forskerne som en “bevegelse skapt av krefter påført bakken av hopperen, samtidig som den opprettholder en konstant masse.” Mange konstruerte jumpere har fokusert på å duplisere designene gitt av evolusjonen, og med stor effekt.
Men elementene som skaper et hopp i et biologisk system kan være begrensende for konstruerte systemer, sa Charles Xaio, en Ph.D. kandidat i Hawkes laboratorium.
“Biologiske systemer kan bare hoppe med så mye energi som de kan produsere i et enkelt slag av muskelen,” sa Xaio. Dermed er systemet begrenset i mengden energi det kan gi for å skyve kroppen fra bakken, og hopperen kan hoppe bare så høyt.
Men hva om det fantes en måte å øke mengden energi tilgjengelig på? For konstruerte hoppere er det: De er i stand til å bruke motorer som skraller eller roterer for å ta mange slag, og multipliserer mengden energi de kan lagre i våren. Forskerne kalte denne evnen “arbeidsmultiplikasjon”, som kan finnes i konstruerte hoppere i alle former og størrelser.
“Denne forskjellen mellom energiproduksjon i biologiske versus konstruerte hoppere betyr at de to bør ha svært forskjellige design for å maksimere hopphøyden,” sa Xiao. Dyr bør ha en liten fjær – bare nok til å lagre den relativt lille energimengden som produseres av deres enkelt muskelslag – og en stor muskelmasse. I motsetning bør konstruerte hoppere ha en så stor fjær som mulig og en liten motor.”
Forskning i denne studien ble også utført av Christopher Keeley og Matthew R. Begley ved UCSB; Richard-Alexandre Peloquin og Morgan T. Pope kl Disney Research, og Günter Niemeyer ved Caltech.
Denne historien ble levert til Newsweek av Zenger Nyheter.