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在动物世界里，亿万年的进化使有些动物比人类跳得高、跳得远。

人的跳高世界纪录是2.45米（以后每增加0.01米将非常非常困难）。动物的跳高世界纪录是多少？按照其身高比例，下面图表列出远比人强的动物跳高世界纪录。尤其是跳蚤——尽管它的尺寸只有1.5到4.5毫米，但它可以跳跃高达30公分。

人的跳远的世界纪录是8.95米（以后每增加0.01米将非常非常困难）。动物的跳远世界纪录是多少？按照其身材比例，下面图表列出远比人强的动物跳远世界纪录。

发表在《自然》杂志上的一篇重要论文中，加州大学的科学家们所制作的机器人创造了纪录，比地球上任何动物还要跳得高、跳得远。

论文题为：“通过工作倍增克服生物限制的工程跳越”。研究人员在论文中写道，“几个世纪以来，科学家们一直在探索生物跳跃高度的极限，几十年来，工程师们设计了跳跃机器经常模仿或从生物跳跃中获得灵感。尽管做出了这些努力，但仍缺少对生物和工程跳跃的能量学进行跨尺度比较的一般分析。”

“在这里，我们展示了生物和工程跳跃者在跳跃能量方面的关键差异。生物跳跃的跳跃高度受限于其直线电机（肌肉）在单次冲程中所能产生的功。相比之下，工程设备的跳跃高度可能要大得多，因为它的棘轮或旋转电机可以在重复冲程或旋转过程中“倍增功”。由于能量产生的这些差异，生物和工程跳跃者应该有不同的设计，以最大限度地提高跳跃高度。”

“根据这些见解，我们创造了一种可以跳跃30多米高的设备，据我们所知，它远远高于以前的工程跳跃者，并且比最好的生物跳跃者高出一个数量级。”

在《自然》杂志上的论文报道说，该跳高纪录达到了32.9米。它不仅跳得比同类建造的其他实验机器人高出三倍多，而且跳得比任何其他动物王高出十四倍多。很有可能，他们的机器人跳得比地球上任何东西都要高。

如图所示工程师们建造了一个跳跃机器人，它远远超过了任何有生命的跳跃者（视频，左）。棘轮和弹簧使机器人能够逐渐储存能量，然后一次性释放能量，使机器人达到近33米的创纪录高度（右）。

跳跃的行为

研究人员写道，跳跃是一种在不损失任何质量的情况下向地面施加力而引起的运动行为。因此，发射时失去燃料的火箭或离开弓箭的箭都不算数。

肌肉是为运动提供能量的生物马达。为了跳跃，你蹲下，收缩你的小腿和其他肌肉，这个过程将肌肉中可用的化学能转化为机械能。肌腱是将肌肉连接到骨骼的有弹性的组织，将机械能传递给骨骼，骨骼利用该能量推动地面以推动身体向上。

动物的跳跃在大小和尺度上以惊人的相似方式起作用。跳跃的力量相当于在推开过程中每单位时间跳跃装置可用多少能量。你的肌肉产生的能量越多，你离开地面的速度越快，跳跃的力量就越大。

但是随着动物变小，它们的腿会变短，并且在跳射过程中与地面接触的时间也会减少。因此，需要能够释放能量以爆发性的突然跳跃。对于这些较小的生物，大自然提出了一个创造性的解决方案：将大部分跳跃能量储存在作为生物弹簧的高弹性组织中。

合成图像显示在黑色背景下跳跃中的婴猴，由于腿部的肌腱非常有弹性，可以跳得非常好。

当弹回原来的长度时，弹簧可以比肌肉更快地释放储存的能量，这增加了跳跃的可用力量。因此，生物世界中一些最好的弹跳使用的是弹簧机理。

例如，蚱蜢将其后腿肌肉的能量储存在关节上的弹簧中。那些看起来像利马豆的弹簧使蚱蜢每单位质量的跳跃力比人类肌肉高出20到40倍。尽管蚱蜢的总能量远低于跳跃的人类，但它的能量密度或每单位质量的能量要高得多。结果，蚱蜢可以跳到大约0.5米的高度——与人类的平均水平相同，但它的身长是蚱蜢的几十倍。

蚱蜢从它们的弹簧中获得的动力提升与其他一些小型跳跃所能获得的动力相比相形见绌。跳蚤的能量密度可以达到人类肌肉的80到倍，而被称为蛙跳的昆虫可以产生到倍的能量密度。蛙蛙的秘密是它们储存跳跃能量的弹簧在它们的胸部。肌肉收缩的额外距离可以传递更多的力量。“这就好像你的臀部肌肉，而不是附着在你的骨盆上，而是附着在你的肩膀上，”研究人员解释说。

如图所示三种跳跃机制的比较：直接由肌肉驱动的跳跃、由储存在弹簧中的肌肉能量驱动的跳跃以及在带有弹簧的棘轮系统中跳跃。

一些动物，如袋鼠，在其生物力学设计中没有单独的弹簧，但它们具有更具弹性的肌肉系统，例如储存大量能量以跳得更高的肌腱。例如，较小的婴猴-脊椎动物中的超级巨星跳跃者-具有非常有弹性的肌腱，它可以跳跃超过2米高，并且高达其身体长度的12倍。人的肌腱储存了一点能量，可以像弹簧一样发挥作用，但它们远没有其他动物的弹性版本那么有效。

棘轮

半个多世纪以来，研究人员分析了其中一些令人惊叹的生物跳跃的性能，为他们的机械跳跃设计提供信息。但这项新研究可能标志着设计机械跳跃的工程师第一次意识到“你不需要做生物学正在做的事情，”杜克大学生物学教授希拉·帕特克评价说。

新机器人克服了生物设计的限制并做了动物不能做的事情，达到了创纪录的跳跃高度。“肌肉不能如棘轮一样，”研究人员解释说。即使肌肉将收缩的能量传递给连接的弹簧，当它们再次拉长时，该能量也会释放出来。因此，可用于驱动跳跃的能量仅限于肌肉的一个弯曲所能提供的能量。

但是在上发条的机器人中，一个闩锁将拉伸的弹簧保持在启动运动之间的位置，因此存储的能量不断积累。这种棘轮过程使可用于启动最终跳跃的存储能量成倍增加。此外，萨顿说，机器人弹簧的方形横截面使其存储的能量是生物弹簧的两倍，而生物弹簧的设计更加三角形。

为什么生物没有进化出某种能力来增强肌肉或以其他方式将自己移动得更高、更远、更快？肌肉在进化上非常古老；它们在昆虫和人类之间没有太大区别。

如果跳得很高的进化压力更大，“我想我们会进化出真正的跳高运动员，”研究人员解释说。但青蛙、蚱蜢和人类不仅需要被建造用于跳跃，还需要用于繁殖、寻找食物、逃离捕食者和做生命所需的一切。

研究人员解释了这些权衡是如何发挥作用的。在很多情况下你都不想直接跳起来。大多数情况下，当青蛙和其他小生物需要跳跃力时，这是因为它们试图逃离身后的捕食者。然后青蛙想尽快在自己和捕食者之间拉开尽可能远的距离。青蛙可能会减小它的起飞角度，使其轨迹变平以跳得更远而不是更高——但可能不是它所能跳的最远，因为跳到安全位置通常涉及一系列跳跃。大多数青蛙在半空中将腿折叠在身体下方，以便在着陆的那一刻，它们准备好再次跳跃。

令人惊讶的是，大跳跃后并不总是有自然选择的压力来正确着陆。最近在《科学进展》中，研究人员报告说，被称为南瓜蟾蜍的两栖动物，其中一些如削尖的铅笔尖大小（如上图），跳跃时几乎总是坠地。它们的微小尺寸是它们问题的根源：像其他动物一样，青蛙从内耳的前庭系统获得平衡感。但由于它们的前庭系统很小，它对角加速度相对不敏感，这使得青蛙在跳跃过程中无法适应翻滚。

当蚱蜢跳跃时，它们通常会失去控制并坠落（左）。当将一顶小帽子戴在他们的头上以将他们的重心移动3%时，他们就不会偏转（右）。

研究人员目前正在研究为什么蚱蜢在跳跃过程中无法控制地旋转。在他们的实验中，他们为这些昆虫配备了微小的加重礼帽，以改变它们的重心。研究人员发现，这足以阻止蚱蜢在空中旋转，理论上这可能会让蚱蜢更好地控制着陆。，目前尚不知道为什么这些昆虫没有在头部增加一点重量来保持这种稳定性。

但是，虽然对于我们来说，作为有骨折风险的相对较大的生物，坠落着陆听起来很危险，但对于较小的生物来说，它的问题就不那么严重了。“这是一种缩放现象，”解释说，随着尺寸的增加，体重的增加速度比支撑骨骼的横截面积更快，这决定了它们的强度。与大象相比，老鼠有很多骨头来支撑它的最小质量。

小型生物“不会因跌倒而受到任何伤害”，可能没有足够强大的选择压力迫使蚱蜢和南瓜蟾蜍进化出正确着陆的能力，这让它们可以进化出其他对它们的生存更重要的能力。

重新思考极限

研究团队机器人也正在经历自己的进化。研究人员正在与美国国家航空航天局合作，将其设备开发成一个功能齐全的机器人，可以在其他星球收集样本，使用受控跳跃来快速穿越长距离。在没有大气层、没有空气阻力、重力只有地球六分之一的月球上，机器人理论上可以跳跃超过米。他们希望在未来五年左右将其发射到月球上。

如果其他星球上有生命，它可能会教给我们关于跳跃的新知识。研究人员说，在较低的重力下，跳跃可能比飞行更容易、更快，因此生物体可能会进化出“马里奥式的跳跃角色”。外星生命的肌肉可能也有不同的工作方式，也许是它们自己的棘轮式能量储存解决方案。“也许他们有非常荒谬的生物力学结构，[这样]他们可以以更复杂的方式储存能量。”

但即使在地球上，动物也继续给研究人员带来惊喜。正如一项警示性研究表明的那样，动物的最大跳跃表现并不总是我们想象的那样。正如研究人员在《自然》杂志中写道：“我们的工作促进了对跳跃的理解，展示了新的表现水平，并强调了考虑工程系统和生物系统之间差异的重要性。”

参考：

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