Πολύ μικρό για μεγάλους μύες, τα μικροσκοπικά ζώα χρησιμοποιούν ελατήρια

«Αν και ο Γαλιλαίος απέδειξε το αντίθετο πριν από περισσότερα από τριακόσια χρόνια, οι άνθρωποι εξακολουθούν να πιστεύουν ότι αν ένας ψύλλος ήταν τόσο μεγάλος όσο ένας άνθρωπος θα μπορούσε να πηδήξει χίλια πόδια στον αέρα», έγραψε ο βιολόγος J.B.S. Ο Haldane στο απολαυστικό του δοκίμιο του 1926, On Being the Right Size . Ο νόμος του τετραγωνικού κύβου του Γαλιλαίου είχε καθορίσει ότι όσο τα αντικείμενα μεγαλώνουν (για παράδειγμα, με κάποιο γραμμικό παράγοντα n ), η επιφάνεια και ο όγκος τους αυξάνονται πολύ πιο γρήγορα (κατά n και n , αντίστοιχα). Οι μύες άλματος ενός υποθετικού ψύλλου μήκους έξι ποδιών δεν θα μπορούσαν ποτέ να συμβαδίσουν με το αυξημένο βάρος του, εξήγησε ο Haldane.

Το γεγονός ότι η επιφάνεια και ο όγκος αυξάνονται ταχύτερα από τις γραμμικές διαστάσεις ενός αντικειμένου έχει βαθιές και ευρέως διαδεδομένες επιπτώσεις για τη βιολογία. Όλα τα ζωντανά όντα τρέφονται, αναπνέουν και κυκλοφορούν, αλλά οι διάφοροι μηχανισμοί που χρησιμοποιούνται για αυτά βασίζονται στη βιοφυσική που λειτουργεί καλύτερα σε συγκεκριμένους τομείς μεγέθους. Καθώς οι οργανισμοί μεγαλώνουν ή μικραίνουν, χρειάζονται λύσεις κατάλληλες στην κλίμακα τους.

Μια εκτενής βιβλιογραφία έχει διερευνήσει πώς οι οργανισμοί αντιμετωπίζουν τις προκλήσεις του μεγέθους τις δεκαετίες μετά το δοκίμιο του Haldane, αλλά οι ανακαλύψεις συνεχίζουν να γίνονται. Πρόσφατα, μια εργασία στο Science περιέγραψε και ποσοτικοποίησε τις μερικές φορές εκρηκτικές απελευθερώσεις δύναμης που εκδηλώνουν οι ψύλλοι, τα μυρμήγκια, οι γαρίδες mantis και άλλα μικροσκοπικά πλάσματα όταν πηδούν ή χτυπούν με τα νύχια ή τα σαγόνια τους. Ελλείψει μεγάλων μυών, χρησιμοποιούν τις μηχανικές ιδιότητες των δομικών υλικών του σώματός τους, όπως τα φορτωμένα ελατήρια. Η εφευρετικότητα της Evolution στην επίτευξη τέτοιων επιδόσεων προέβλεπε τα σχέδια που θα εφεύρονταν τελικά οι άνθρωποι για τα δικά τους εργαλεία και όπλα — και εμπνέει ερευνητές και μηχανικούς σήμερα στην εργασία τους για πιο ικανά ρομπότ.

Κίνηση και αναπνοή

Κλασικές μελέτες στην έρευνα της εμβιομηχανικής έχουν διερευνήσει τις επιπτώσεις του μεγέθους για τους οργανισμούς. Το να γίνεται μεγαλύτερο και βαρύτερο, για παράδειγμα, δημιουργεί προβλήματα στην κίνηση και τη στάση του ζώου.

«Καθώς πηγαίνετε από ποντίκι σε ελέφαντα, η ποσότητα του οστού - η περιοχή της διατομής που καθορίζει τελικά τη δύναμή του - δεν αυξάνεται τόσο γρήγορα όσο η μάζα του ζώου», εξήγησε ο Thomas Roberts, ερευνητής εμβιομηχανικής στο Πανεπιστήμιο Brown. Για να αποτρέψουν το σπάσιμο των οστών τους, είπε, τα μεγάλα ζώα υιοθετούν πιο όρθιες, κολόνες στάσεις που διατηρούν το σωματικό τους βάρος καλύτερα κατανεμημένο στα φέροντα μέρη των οστών. Σκεφτείτε την ψηλή, κυρίως κάθετη δομή μιας καμηλοπάρδαλης.

Αντίθετα, όταν ένα σώμα μειώνεται σε μέγεθος, η μάζα του μειώνεται γρηγορότερα από το εμβαδόν της διατομής του. Τα μυρμήγκια μπορούν εύκολα να μεταφέρουν πολλές φορές τη μάζα του σώματός τους, επειδή η γεωμετρία κάνει τους εξωσκελετούς τους και τους μύες που συνδέονται με αυτά, δυσανάλογα ισχυρότερους από αυτούς των μεγαλύτερων πλασμάτων, είπε ο Roberts.

Το μέγεθος έχει επίσης σημασία για το πώς αναπνέουν τα ζώα. Μικρά πράγματα όπως τα έντομα βασίζονται στη διάχυση οξυγόνου στους τραχειακούς σωλήνες που διατρέχουν το σώμα τους για να εξυπηρετήσουν άμεσα τις μεταβολικές ανάγκες κάθε κυττάρου, ενώ τα μεγάλα πλάσματα χρειάζονται πνεύμονες ή βράγχια και ενεργά κυκλοφορικά συστήματα για να παρέχουν αρκετό οξυγόνο στους ιστούς τους (και, ακριβώς όπως σημαντικό, αφαιρέστε τα μεταβολικά απόβλητα των κυττάρων). Σε μια σημαντική αλλά αμφιλεγόμενη εργασία το 1997 στο Science , Geoffrey West, τώρα στο Ινστιτούτο Santa Fe, ο James Brown του Πανεπιστημίου του Νέου Μεξικού και ο Brian Enquist του Πανεπιστημίου της Αριζόνα υποστήριξαν ότι η γεωμετρία αυτών των διακλαδιζόμενων κυκλοφορικών δικτύων θα μπορούσε να εξηγήσει ένα μοτίβο γνωστό ως νόμος του Kleiber:Μεταβολικοί ρυθμοί από μικροσκοπικές μύγες σε μεγάλες μπλε φάλαινες φαίνεται να κλιμακώνονται με μάζα αυξημένη στα 3/4. Παρόλο που τα κύτταρα μιας μπλε φάλαινας και μιας μύγας φρούτων έχουν περίπου το ίδιο μέγεθος, το κύτταρο της φάλαινας έχει χαμηλότερο μεταβολικό ρυθμό. Οι West, Brown και Enquist υποστήριξαν ότι η διαφορά έχει να κάνει με τον τρόπο με τον οποίο η γεωμετρία αυτών των συστημάτων διανομής οξυγόνου και θρεπτικών συστατικών κλιμακώνεται ανάλογα με το μέγεθος του σώματος.

Ακριβώς όπως η διάχυση οξυγόνου στους τραχειακούς σωλήνες λειτουργεί για την αναπνοή εντόμων αλλά όχι για μεγαλύτερα ζώα, άλλες στρατηγικές βιολογικού σχεδιασμού λειτουργούν καλά σε ορισμένα μεγέθη, αλλά γίνονται δυσκίνητες σε μεγαλύτερα ή μικρότερα. Τα μυρμήγκια, οι αστακοί και πολλά άλλα ασπόνδυλα υποστηρίζουν το σώμα τους με χιτινώδεις εξωσκελετούς, αλλά για πολύ μεγαλύτερα πλάσματα, οι εσωτερικοί σκελετοί των οστών ήταν μια καλύτερη λύση:Οι μεγάλοι εξωσκελετές θα γίνονταν είτε πολύ περιοριστικοί και βαρείς είτε πολύ αδύναμοι και επιρρεπείς στο σπάσιμο.

Μύες, ελατήρια και μάνδαλα

Η μυϊκή δύναμη είναι ένας άλλος τομέας στον οποίο η κλίμακα έχει σημασία. Σχεδόν όλα τα πολυκύτταρα ζώα, εκτός από τα απλά όπως τα σφουγγάρια, εξαρτώνται από τους μύες για να κινηθούν και όλοι οι μύες τους χρησιμοποιούν κάποια μορφή συσταλτικών ινών στις οποίες τα νήματα των πρωτεϊνών ακτίνης και μυοσίνης τραβούν το ένα το άλλο για να δημιουργήσουν δύναμη. Οι μύες μπορούν να παράγουν περίπου 100 έως 300 watt ανά κιλό ισχύος (η ισχύς είναι η ποσότητα ενέργειας που μεταφέρεται ανά μονάδα χρόνου).

Αλλά τα μικρά ζώα αντιμετωπίζουν προβλήματα που η μυϊκή δύναμη από μόνη της δεν μπορεί να λύσει. Όταν τρέχετε, για παράδειγμα, τα πόδια των μικρών ζώων έρχονται σε επαφή με το έδαφος για πολύ σύντομες μόνο στιγμές κατά τη διάρκεια κάθε βήματος, γεγονός που περιορίζει την ποσότητα ενέργειας που μπορεί να απελευθερώσει κάθε βηματισμός.

Για να αντιμετωπίσουν αυτό το πρόβλημα, πολλά μικρά ζώα χρησιμοποιούν εύκαμπτες δομές στο σώμα τους ως ελατήρια που μπορούν να σηκώσουν και να απελευθερώσουν σαν τόξο τοξότη. Το ελατήριο επιτρέπει στο μικρό ζώο να αποθηκεύει ενέργεια αργά και στη συνέχεια να την απελευθερώνει με τη μία, ενισχύοντας έτσι τη δύναμή του.

Το έντομο που ονομάζεται froghopper, για παράδειγμα, είναι ένας καταπληκτικός άλτης, παρόλο που τα πόδια του είναι πολύ πιο κοντά από εκείνα των γρύλων και των ακρίδων. Το μυστικό του είναι ότι χρησιμοποιεί τους μύες των ποδιών του για να λυγίσει τον χιτινώδη εξωσκελετό που περιβάλλει τον θώρακά του, ο οποίος λειτουργεί ως ελατήριο ή τόξο. Ένα μάνδαλο συγκρατεί την αποθηκευμένη ενέργεια στην πλώρη - έως και 65.000 watt ανά κιλό. Όταν το μάνδαλο απελευθερώνεται, ο εξωσκελετός επανέρχεται στο αρχικό του σχήμα, εξαπολύοντας ένα ισχυρό άλμα που μπορεί να εκσφενδονίσει το βατραχάτρο 100 φορές το μήκος του σώματός του.

Αυτή η ελαστική λύση λειτουργεί περισσότερο από το άλμα. Το κεφάλι του μυρμηγκιού της παγίδας καλύπτεται με έναν χιτινώδη εξωσκελετό που οι μύες στο εσωτερικό του κεφαλιού μπορούν να λυγίσουν σαν το τόξο του τοξότη. Όταν το τόξο απελευθερώνεται, αποδίδει έως και 200.000 Watt ανά κιλό και οι κάτω γνάθοι κλείνουν γρήγορα σε άτυχο θήραμα με ταχύτητες άνω των 140 μιλίων την ώρα. Όταν έρχεται αντιμέτωπος με ένα αρπακτικό, το μυρμήγκι της παγίδας μπορεί επίσης να κουμπώσει την κάτω γνάθο του στο έδαφος με αρκετή δύναμη για να προωθηθεί στον αέρα, διαφεύγοντας γρήγορα στην ασφάλεια.

Η χρήση ελατηρίων δεν περιορίζεται στα έντομα. Όταν ένας βάτραχος σκύβει, οι μύες των ποδιών του τεντώνουν τον μακρύ αχίλλειο τένοντα του σαν ελατήριο και αποθηκεύουν ενέργεια σε αυτόν. Η απελευθέρωση αυτής της συσσωρευμένης έντασης ωθεί το άλμα του βατράχου, είπε ο Christopher Richards, ένας ερευνητής παλαιορομποτικής στο Royal Veterinary College του Πανεπιστημίου του Λονδίνου, ο οποίος χρησιμοποιεί έναν συνδυασμό ρομποτικής, μοντελοποίησης και ανατομίας για να κατανοήσει πώς οι εξαφανισμένοι βάτραχοι με διαφορετικά σχήματα πυέλου και αναλογίες ποδιών που χρησιμοποιούνται για άλματα.

Το μάνδαλο που χρησιμοποιεί ο βάτραχος για να απελευθερώσει την αποθηκευμένη ισχύ, ωστόσο, παραμένει αντικείμενο έντονης συζήτησης:«Αυτή είναι η ερώτηση των εκατομμυρίων δολαρίων», είπε ο Richards. «Κανείς δεν έχει βρει ανατομικό μάνδαλο σε βατράχια. Από όσο γνωρίζω, κανείς δεν έχει βρει μάνδαλο σε σπονδυλωτό ζώο.»

Τα μάνδαλα έχουν εντοπιστεί μόνο για μια χούφτα συστήματα εντόμων και καρκινοειδών. Τα μάνδαλα είναι πιο δύσκολο να βρεθούν από τα ελατήρια, επειδή ο μηχανισμός μανδάλωσης είναι συνήθως μέσα στο σώμα του ζώου, σε αντίθεση με τα εύκολα προσβάσιμα ελατήρια που είναι κατασκευασμένα από την εξωτερική επιδερμίδα των καρκινοειδών ή τον εξωσκελετό των εντόμων. Δυστυχώς, η ανατομή καταστρέφει τα ευαίσθητα συστήματα ελατηρίου και μανδάλωσης, καθιστώντας δύσκολο τον προσδιορισμό του τρόπου λειτουργίας τους σε ζωντανούς οργανισμούς, εξήγησε ο Gregory Sutton, ερευνητής εμβιομηχανικής και μηχανικός στο Πανεπιστήμιο του Μπρίστολ. Συνήθως, οι ερευνητές καταλήγουν να συμπεράνουν την ύπαρξη μάνδαλου από την απότομη απελευθέρωση ισχύος από ένα αναγνωρισμένο ελατήριο. "Κάτι πρέπει να αλλάξει το σύστημα από μια λειτουργία όπου οι μύες τεντώνουν τα ελατήρια σε μια λειτουργία όπου το ελατήριο οπισθοχωρεί και τροφοδοτεί, τροφοδοτώντας αυτήν την τεράστια κίνηση", είπε ο Sutton.

Το πρώτο μάνδαλο που ανακαλύφθηκε ήταν αυτό σε ακρίδες, το οποίο περιέγραψε το 1977 ο William James Heitler του Πανεπιστημίου του St Andrews στη Σκωτία. Οι ακρίδες χρησιμοποιούν αυτό που ονομάζεται γεωμετρικό μάνδαλο:Οι αντίθετοι μύες του ποδιού λειτουργούν σε ζευγάρια. Πρώτον, όταν το πόδι είναι πλήρως λυγισμένο, ο μεγάλος μυς του ποδιού φορτώνει το ελατήριο ενώ ο μικρότερος μυς σταθεροποιεί την άρθρωση του γόνατος. Μετακινώντας ελαφρά την άρθρωση, ο μικρός μυς προκαλεί στη συνέχεια μια αλλαγή στους βραχίονες ροπής των δύο μυών και ενεργοποιεί την άρθρωση να περιστραφεί εκτός ελέγχου, ξεκινώντας το άλμα.

Μετακίνηση του παρελθόντος εξιδανικευμένων ελατηρίων

Αν και τα συστήματα ελατηρίου και μανδάλωσης που χρησιμοποιούν τα μικρά πλάσματα έχουν μελετηθεί εδώ και δεκαετίες, υπήρξε μια σοβαρή αδυναμία στην κατανόησή τους από τους επιστήμονες. «Μέχρι τώρα αντιμετωπίζαμε σε μεγάλο βαθμό τα συστήματα ελατηρίων σαν να είναι απεριόριστα στην ικανότητά τους να αποθηκεύουν ενέργεια και να απελευθερώνουν ενέργεια», εξήγησε ο Roberts. Αυτή είναι μια αποδεκτή υπόθεση όταν η μάζα των εμπλεκόμενων ελατηρίων είναι αμελητέα σε σχέση με τη μάζα σώματος. Όμως, ένας μηχανικός περιορισμός σε κάθε ελατήριο είναι ότι, όταν εκφορτώνει ενέργεια, πρέπει να μετακινήσει τη δική του μάζα, η οποία αναπόφευκτα μειώνει τη δύναμη εξόδου του ελατηρίου με τρόπο που είναι ανάλογος με την ταχύτητα του κινούμενου αντικειμένου, είπε ο Roberts. Για μικρά συστήματα, η μάζα του ελατηρίου γίνεται συχνά ένα σημαντικό μέρος της συνολικής μάζας και πρέπει να λαμβάνεται υπόψη.

Τα μάνδαλα διαμορφώθηκαν επίσης με εξιδανικευμένο τρόπο, σαν να απελευθέρωναν ελατήρια ακαριαία. Αλλά η ταχύτητα με την οποία ένα μάνδαλο απελευθερώνει την ενέργεια που αποθηκεύεται σε ένα ελατήριο αποδεικνύεται σημαντική:Καθορίζει πόσο γρήγορα μπορεί να επιταχυνθεί το φορτίο στο ελατήριο, είπε ο Richards. Εάν τα ζώα είναι περιορισμένα στο πόσο γρήγορα μπορούν να απελευθερώσουν τα μάνδαλα στα εμβιομηχανικά τους συστήματα, η απόδοσή τους θα ήταν επίσης περιορισμένη.

Σε μια Επιστήμη της 26ης Απριλίου μια διεπιστημονική ομάδα μηχανικών, φυσικών, φυσιολόγων, ερευνητών εμβιομηχανικής και επιστημόνων υλικών παρουσίασε ένα νέο θεωρητικό μοντέλο που χρησιμοποιεί ρητά αυτές τις πραγματικές (και όχι εξιδανικευμένες) ιδιότητες των μυών, των μανδάλων και των ελατηρίων και περιγράφει μαθηματικά πώς οι ιδιότητες αυτών των Τα στοιχεία πρέπει να είναι συντονισμένα μεταξύ τους για βελτιστοποίηση της απόδοσης.

«Αυτό που για μένα είναι η σημαντική ανακάλυψη εδώ είναι, τώρα μπορούμε να ακολουθήσουμε το μονοπάτι της εξουσίας», είπε η Sheila Patek, η ανώτερη συγγραφέας της εργασίας και αναπληρώτρια καθηγήτρια στο Πανεπιστήμιο Duke που ερευνά τη μηχανική της κίνησης. «Μπορούμε να δούμε ποια συστήματα πρέπει να διέπονται από ένα ελατήριο και ένα μάνδαλο και ποια δεν ωφελούνται από αυτό, και μπορούμε να χειριστούμε πολύ καλύτερα την κλασική κλιμάκωση [προβλήματα] στη βιολογία που δεν είχαν νόημα πριν από αυτό».

Γαρίδες και ρομπότ Mantis

Ο Patek μελετά τη συμπεριφορά και τη βιομηχανική των γαρίδων mantis, γνωστών και ως splitters, από το 2002. Είναι μικρά καρκινοειδή με σφυροειδή νύχια στο μέγεθος οδοντογλυφίδων που χρησιμοποιούν για να σπάσουν τα ανοιχτά κελύφη σαλιγκαριού (ή να ανοίξουν σε φέτες το δάχτυλο ενός απρόσεκτος ανθρώπινος χειριστής).

«Εμείς [οι άνθρωποι] θα μπορούσαμε σοβαρά να χτυπάμε ένα κέλυφος σαλιγκαριού με δύο οδοντογλυφίδες για το υπόλοιπο της ζωής μας και να μην σπάμε ποτέ ένα κέλυφος σαλιγκαριού, σωστά;» είπε ο Patek. Ωστόσο, όπως έδειξαν εκείνη και οι συνάδελφοί της, η γαρίδα mantis μπορεί να το κάνει λόγω του συστήματος μάνταλου και ελατηρίου που τροφοδοτεί τα νύχια της. Ένας μυς φορτώνει αντίσταση στο ελατήριο του χιτινώδους εξωσκελετού, το οποίο συγκρατείται στη θέση του με ένα ακόμη αχαρακτηρισμένο μάνδαλο. Στη συνέχεια, το μάνδαλο απελευθερώνεται και το ελατήριο επιταχύνει το σφυρί προς τα έξω με ταχύτητες έως και 30 μέτρα ανά δευτερόλεπτο. "Το χτύπημα τους είναι παρόμοιο με την επιτάχυνση μιας σφαίρας στην [κάννη] ενός όπλου (10 m/s)", διευκρίνισε ο Patek μέσω email.

Επειδή οι βιολόγοι έχουν επικεντρωθεί τόσο πολύ στο τι μπορούν και τι δεν μπορούν να κάνουν οι μύες, έχουν παραμελήσει σε μεγάλο βαθμό το ίδιο το ελατήριο, εξήγησε ο Patek. «Πρέπει να δούμε πώς συμπεριφέρεται αυτό το υλικό όταν σπρώχνει το σφυρί και, φυσικά, τι κάνει το μάνδαλο», είπε ο Patek. Τώρα που η ομάδα έθεσε αυτές τις ερωτήσεις επίσημα στο έγγραφό της και υπάρχει ένα λεξιλόγιο για να μιλήσουμε για το πρόβλημα, αυτοί και άλλοι τώρα διερευνούν την ποικιλομορφία των μάνδαλων και των ελατηρίων σε μια ποικιλία βιολογικών και μηχανικών συστημάτων.

Για παράδειγμα, ένας άλλος συν-συγγραφέας στην Επιστήμη χαρτί, η μηχανολόγος μηχανικός Sarah Bergbreiter του Πανεπιστημίου του Maryland, College Park, σχεδιάζει μικρορομπότ για μια ποικιλία εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένης της έρευνας και διάσωσης (για το πέρασμα από τα ερείπια ενός κτιρίου που κατέρρευσε μετά από σεισμό, για παράδειγμα), την εξερεύνηση του διαστήματος και τις ιατρικές χρήσεις (ένα μικροσκοπικό ρομπότ θα μπορούσε να καταποθεί σε ένα χάπι για να αρπάξει μια βιοψία του εντερικού σωλήνα). Όλα αυτά τα μικρά ρομπότ θα χρειαστεί να μετακινήσουν, να πηδήξουν ή να τρυπήσουν τρύπες με επαρκή ισχύ. Η ιδέα είναι να χρησιμοποιηθούν μερικά από τα διδάγματα που αντλήθηκαν από τη φύση για να βελτιώσουμε το μικρό ρομποτικό σχεδιασμό, εξήγησε ο κύριος συγγραφέας, Mark Ilton, ένας φυσικός και επιστήμονας υλικών στο Πανεπιστήμιο της Μασαχουσέτης Amherst.

Ιστορικά, τα βιολογικά συστήματα ξεπέρασαν τα κατασκευασμένα και αυτό το νέο μοντέλο μπορεί να ανοίξει τον δρόμο για τα ρομπότ να φτάσουν τη διαφορά, σύμφωνα με τη Suzanne Cox, συν-συγγραφέα και βιολόγο στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια. Η βιολογία είναι πολύ διαφορετική όσον αφορά τους οργανισμούς και τα ενδιαιτήματα, αλλά δεν έχει μια τεράστια εργαλειοθήκη υλικών, είπε ο Patek. Κατά τη διάρκεια της εξελικτικής ιστορίας, μόνο τέσσερα πολυμερή υλικά - κυτταρίνη (στα φυτά), χιτίνη, κολλαγόνο και ρεζιλίνη (μια ελαστική πρωτεΐνη που βρίσκεται στα έντομα) - έχουν οργανωθεί ή διαμορφωθεί με πληθώρα τρόπων για τη μεγιστοποίηση της ισχύος των μηχανικών συστημάτων σε ζωντανά όντα. , εξήγησε.

Από την πλευρά των επιστημών της μηχανικής πολυμερών, είναι το εντελώς αντίθετο. Οι επιστήμονες υλικών έχουν ένα μεγάλο σύνολο υλικών στην εργαλειοθήκη τους, είπε ο Patek, αλλά γενικά δεν έχουν διερευνήσει πολλά σχετικά με το πώς να διασυνδέσουν αυτά τα υλικά ή να διαμορφώσουν τα υλικά για βέλτιστη απόδοση. "Το πλαίσιο που έχουμε αναπτύξει βασικά σας επιτρέπει να εξερευνήσετε τον χώρο σχεδιασμού σε αυτά τα συστήματα άλματος", πρόσθεσε ο Bergbreiter.

Το σωστό μέγεθος για το σωστό κόλπο

Αν και τα ελατήρια είναι χρήσιμα σε όλη τη βιολογία, τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των κινητήρων (για τα ρομπότ) και των μυών (για τα ζώα) έναντι των συστημάτων ελατηρίου και μανδάλου θα εξισορροπηθούν διαφορετικά ανάλογα με το μέγεθος. Γενικά, τα ελατήρια και τα μάνδαλα είναι πιο συμφέροντα σε μικρότερα μεγέθη. Τα πλεονεκτήματά τους γίνονται λιγότερο σαφή καθώς οι φορτισμένες μάζες αυξάνονται και η αδράνεια καθιστά τα ελατήρια λιγότερο αποτελεσματικά.

«Όταν είσαι μεγάλος, η επιλογή που έχεις ανάμεσα σε ένα ελατήριο και έναν κινητήρα δεν είναι τόσο ξεκάθαρη», δήλωσε ο Gregory Sawicki, βιομηχανικός μηχανικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Τζόρτζια. «Αν είμαι μεγαλόσωμος, μπορώ να έχω βασικά την ίδια απόδοση από έναν κινητήρα με ένα ελατήριο. Επομένως, μπορεί να επιλέξω έναν κινητήρα επειδή ο κινητήρας είναι πιο ευέλικτος.» Συγκεκριμένα, ένας κινητήρας ή ένας μυς δίνει στον χρήστη περισσότερο έλεγχο. «Αν θέλετε να ελέγξετε τη ροή ενέργειας πιο προσεκτικά, αυτά τα συστήματα βαλλιστικών ελατηρίων είναι δύσκολο να τα αντιμετωπίσετε», εξήγησε.

Ένα άλλο μειονέκτημα των ελατηρίων είναι ότι οι οργανισμοί που ωθούν τα συστήματα ελατηρίου και μανδάλωσης στα όρια απόδοσης τους πρέπει να ανησυχούν για θραύση. Ο Patek σημείωσε ότι για τις γαρίδες mantis, το πρόβλημα της αποφυγής της αυτοκαταστροφής είναι σοβαρό. "Πρέπει να βγάλουν την ενέργεια από το σώμα τους [και] να προσπαθήσουν να μην την ξαναμπούν και σκίσουν τους μύες στο πόδι", είπε.

Οι γαρίδες Mantis, τα μυρμήγκια, τα βατραχοπόπερα και άλλα μικροπράγματα πρέπει επίσης να ανησυχούν μήπως σπάσουν τα ελατήρια τους. Αυτά τα ζώα έχουν μόνο ένα σετ ελατηρίων και μάνδαλων για να χρησιμοποιούν στα άκρα τους καθ 'όλη τη διάρκεια της ζωής τους. Το σπάσιμο ενός ελατηρίου μπορεί να είναι θανατηφόρο.

Ένα μυστικό για το κόλπο τους για την αποφυγή της θραύσης φαίνεται να είναι αυτή η ελαστική πρωτεΐνη που ονομάζεται ρεζιλίνη, την οποία έχουν τα έντομα στους μεντεσέδες των φτερών τους και στους τραχειακούς σωλήνες. Η ρεζιλίνη βρίσκεται επίσης στα επιδερμικά ελατήρια, όπου είναι διαμορφωμένη σε λεπτές στρώσεις κάτω από τη χιτίνη. Στην πραγματικότητα, η επίστρωση χιτίνης και ρεζιλίνης μοιάζει με το σχέδιο των σύνθετων τόξων των τοξότων από εκατοντάδες χρόνια πριν, όπως αυτά από κέρατο και ξύλο, ή δέρμα και ξύλο. Το σύνθετο τόξο μπορεί «να αντισταθεί στη φθορά και να χρησιμοποιηθεί επανειλημμένα χωρίς να χάσει τις μηχανικές του ιδιότητες», εξήγησε ο Σάτον. Η επίστρωση διαφορετικών υλικών αποτρέπει την εξάπλωση τυχόν μικροσκοπικών ρωγμών, περιορίζοντας έτσι τη ζημιά και δίνοντας στο ζώο την ευκαιρία να επισκευάσει αυτές τις ρωγμές πριν γίνουν καταστροφικές. Ο σχεδιασμός των σύνθετων τόξων περιγράφηκε το 1545 από τον Roger Ascham, δάσκαλο της βασίλισσας Ελισάβετ Α' και μελετητή του Cambridge, σημείωσε ο Sutton, του οποίου ο ιστορικός φίλος εντόπισε για πρώτη φορά τις ομοιότητες μεταξύ του σχεδιασμού των αρχαίων τόξων και της μικροδομής των εξωσκελετών εντόμων.

Το σπάσιμο γίνεται περισσότερο πρόβλημα καθώς οι οργανισμοί γίνονται μικρότεροι. Κατά συνέπεια, φαίνεται να υπάρχει ένα γλυκό σημείο στο μέγεθος του σώματος — ούτε πολύ μεγάλο ούτε πολύ μικρό — στο οποίο τα ζώα μπορούν να κάνουν βέλτιστη χρήση των μανδάλων και των ελατηρίων. Ο Haldane, στο δοκίμιό του, είχε συζητήσει τις επιπτώσεις του νόμου του τετραγωνικού κύβου και της σχετικής μυϊκής απόδοσης για τους υποθετικούς γιγάντιους ψύλλους. Αλλά υπό το πρίσμα της δουλειάς του Patek και των συναδέλφων του, ο πραγματικός περιορισμός στις ικανότητες άλματος των ψύλλων φαίνεται να είναι ότι τα μικροσκοπικά ελατήρια τους - τα οποία είναι πολύ μικρότερα από τα στιβαρά των γαρίδων mantis, για παράδειγμα - μπορούν να ανεχθούν τόσο πολύ άγχος. P>

«Είναι πολύ δύσκολο να φτιάξεις ένα ελατήριο που είναι απίστευτα μικρό χωρίς να σπάσει», εξήγησε ο Σάτον. "Γι' αυτό οι ψύλλοι δεν είναι στην πραγματικότητα τρομερά καλοί άλτες - επειδή τα ελατήρια τους δεν είναι αρκετά μεγάλα για να χειριστούν τις δυνάμεις που εμπλέκονται."

Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στο ScientificAmerican.com.