來自 Quanta Magazine (在此處查詢原始故事)。
儘管伽利略在三百多年前就證明了事實並非如此，但人們仍然相信，如果一隻跳蚤長得像人一樣大，它就能跳到一千英尺的空中，”生物學家 J.B.S. Haldane 在他 1926 年的精彩文章《 論大小適宜》中寫道。伽利略的平方-立方定律確立，當物體變大（例如，按某個線性因子 n）時，它們的表面積和體積增加得更快（分別按 n2 和 n3 倍）。Haldane 解釋說，假設一隻六英尺跳蚤的跳躍肌肉永遠無法跟上其按比例放大的體重。
表面積和體積的增加速度快於物體的線性尺寸，這一事實對於生物學具有深刻而廣泛的意義。所有生物都需要進食、呼吸和移動，但它們使用的各種機制都依賴於在特定尺寸範圍內效果最佳的生物物理學。隨著生物體變得更大或更小，它們需要適合其尺度的解決方案。
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自 Haldane 的文章發表以來的幾十年裡，大量的文獻探討了生物體如何應對尺寸帶來的挑戰，但新的發現仍在不斷湧現。最近，一篇發表在《 科學 》雜誌上的論文描述並量化了跳蚤、螞蟻、螳螂蝦和其他微小生物在跳躍或用爪子或下顎攻擊時所表現出的有時是爆炸性的力量釋放。由於缺乏大的肌肉，它們利用身體結構材料的機械特性，就像上了弦的彈簧一樣。進化在實現這種效能方面的獨創性，預見了人類最終為自己的工具和武器發明的那些設計，並且正在激勵今天的研究人員和工程師們在他們更強大的機器人研究方面的工作。
運動和呼吸
生物力學研究的經典研究已經探索了尺寸對生物體的意義。例如，變得更大更重會給動物的運動和姿勢帶來問題。
布朗大學的生物力學研究員 Thomas Roberts 解釋說：“當你從老鼠變成大象時，骨骼的數量——最終決定其強度的橫截面積——並沒有像動物的質量那樣快速增加。”他說，為了防止骨骼斷裂，大型動物會採取更直立、柱狀的姿勢，使其體重更好地分佈在骨骼的承重部位。想想長頸鹿高聳、幾乎垂直的結構。
相反，當身體尺寸縮小的時候，其質量下降的速度比橫截面積更快。Roberts 說，螞蟻可以輕鬆地攜帶自身體重數倍的重量，因為幾何學使得它們的外骨骼以及附著在其上的肌肉，比大型生物的更強壯。
尺寸也關係到動物的呼吸方式。像昆蟲這樣的小東西依靠氧氣在貫穿其身體的氣管中的擴散，直接滿足每個細胞的代謝需求，而大型生物則需要肺或鰓以及活躍的迴圈系統，才能將足夠的氧氣輸送到它們的組織（同樣重要的是，還要清除細胞的代謝廢物）。在 1997 年《 科學 》雜誌上發表的一篇 開創性但有爭議的 論文中，聖塔菲研究所的 Geoffrey West、新墨西哥大學的 James Brown 和亞利桑那大學的 Brian Enquist 認為，這些分支迴圈網路的幾何形狀可以解釋一種被稱為克萊伯定律的模式：從微小的蒼蠅到巨大的藍鯨，代謝率似乎與質量的 3/4 次方成正比。即使藍鯨和果蠅的細胞大小大致相同，藍鯨細胞的代謝率也較低。West、Brown 和 Enquist 認為，這種差異與這些分支氧氣和營養輸送系統的幾何形狀如何隨身體大小而變化有關。
正如氧氣擴散到氣管適用於昆蟲呼吸但不適用於大型動物一樣，其他生物設計策略在某些尺寸下效果良好，但在更大或更小的尺寸下會變得笨拙。螞蟻、龍蝦和許多其他無脊椎動物用幾丁質外骨骼支撐身體，但對於更大的生物來說，骨質內骨骼一直是更好的解決方案：大型外骨骼要麼變得過於束縛和沉重，要麼變得過於脆弱且容易斷裂。
肌肉、彈簧和閂鎖
肌肉力量是另一個尺寸很重要的領域。幾乎所有多細胞動物，除了像海綿這樣的簡單動物，都依賴肌肉來移動，它們所有的肌肉都使用某種形式的收縮纖維，其中肌動蛋白和肌球蛋白的細絲相互拉動以產生力量。肌肉每公斤可以產生大約 100 到 300 瓦的功率（功率是單位時間內傳遞的能量）。
但是，小型動物面臨著僅靠肌肉力量無法解決的問題。例如，在跑步時，小型動物的腿在每一步中與地面接觸的時間非常短暫，這限制了每一步可以釋放多少能量。
為了解決這個問題，許多小型動物在其身體中使用柔性結構作為彈簧，它們可以像弓箭手的弓一樣拉開並釋放。彈簧使小型動物能夠緩慢地儲存能量，然後一次性釋放所有能量，從而放大其力量。
例如，被稱為沫蟬的昆蟲，即使它的腿比蟋蟀和蝗蟲的腿短得多，也是一個驚人的跳躍者。它的秘訣在於，它利用腿部肌肉彎曲包裹其胸部的幾丁質外骨骼，外骨骼就像彈簧或弓一樣發揮作用。一個閂鎖將儲存在弓中的能量固定住——高達每公斤 65,000 瓦。當閂鎖釋放時，外骨骼彈回其原始形狀，釋放出強大的跳躍力，可以將沫蟬拋射到自身體長的 100 倍。
這種彈簧解決方案不僅適用於跳躍。蟻獅的頭部覆蓋著幾丁質外骨骼，頭部內部的肌肉可以像弓箭手的弓一樣彎曲它。當弓釋放時，它產生高達每公斤 200,000 瓦的功率，大顎以超過每小時 140 英里的速度猛然合上，捕捉倒黴的獵物。當面對捕食者時，蟻獅也可以用大顎猛擊地面，產生足夠的力量將自己推進空中，迅速逃生。
彈簧的使用不限於昆蟲。倫敦皇家獸醫學院的古生物機器人研究員 Christopher Richards 說，當青蛙蹲伏時，它的腿部肌肉會像彈簧一樣拉伸其長長的跟腱，並在其中儲存能量。這種積聚的張力的釋放推動了青蛙的跳躍，他正在使用機器人技術、建模和解剖學的結合來了解骨盆形狀和腿部比例各異的已滅絕青蛙過去是如何跳躍的。
然而，青蛙用來釋放儲存能量的閂鎖仍然是激烈爭論的主題。“這是一個價值百萬美元的問題，”Richards 說。“沒有人發現青蛙身上有解剖學上的閂鎖。據我所知，沒有人在脊椎動物身上發現閂鎖。”
閂鎖僅在少數昆蟲和甲殼動物系統中被發現。閂鎖比彈簧更難找到，因為閂鎖機構通常在動物體內，而不是像甲殼動物外層角質層或昆蟲外骨骼製成的易於接近的彈簧那樣。布里斯托爾大學的生物力學研究員兼工程師 Gregory Sutton 解釋說，不幸的是，解剖會破壞精巧的彈簧和閂鎖系統，因此很難確定它們在活體生物中是如何工作的。通常，研究人員最終會從已識別彈簧的突然功率釋放中推斷出閂鎖的存在。“必須有某種東西將系統從肌肉拉伸彈簧的模式切換到彈簧回彈並提供動力的模式，從而驅動巨大的運動，”Sutton 說。
第一個被發現的閂鎖是蚱蜢的閂鎖，蘇格蘭聖安德魯斯大學的 William James Heitler 在 1977 年對其進行了描述。蚱蜢使用一種稱為幾何閂鎖的東西：腿部相對的肌肉成對工作。首先，當腿完全彎曲時，腿部的大肌肉載入彈簧，而較小的肌肉穩定膝關節。透過稍微移動關節，較小的肌肉然後引起兩個肌肉的力臂的變化，並觸發關節失控旋轉，從而引發跳躍。
超越理想化的彈簧
儘管小型生物使用的彈簧和閂鎖系統已經被研究了幾十年，但科學家對它們的理解存在一個嚴重的弱點。“到目前為止，我們基本上將彈簧系統視為好像它們在儲存能量和釋放功率方面具有無限的能力，”Roberts 解釋說。當所涉及彈簧的質量相對於身體質量可以忽略不計時，這是一個可以接受的假設。但是，任何彈簧的機械約束是，當它解除安裝能量時，它必須移動自身的質量，這不可避免地會降低彈簧的力輸出，其降低方式與運動物體的速度成正比，Roberts 說。對於小型系統，彈簧的質量經常成為總質量的相當大的一部分，必須加以考慮。
閂鎖也被以理想化的方式建模，就好像它們瞬間釋放彈簧一樣。但是，閂鎖釋放彈簧中儲存的能量的速度被證明很重要：它決定了彈簧上的負載可以加速多快，Richards 說。如果動物在它們生物力學系統中釋放閂鎖的速度受到限制，它們的效能也會受到限制。
在 4 月 26 日的《 科學 》論文中，一個由工程師、物理學家、生理學家、生物力學研究人員和材料科學家組成的跨學科團隊提出了一個新的理論模型，該模型明確使用了肌肉、閂鎖和彈簧的這些真實（而非理想化）特性，並從數學上描述了這些元件的特性必須如何相互調整才能最佳化效能。
“對我來說，這裡的主要突破是，現在我們可以跟蹤力量的路徑，”該論文的資深作者、杜克大學副教授 Sheila Patek 說，她研究運動力學。“我們可以看到哪些系統應該由彈簧和閂鎖控制，哪些系統不會從中受益，並且我們可以更好地處理以前沒有意義的生物學中的經典縮放[問題]。”
螳螂蝦和機器人
自 2002 年以來，Patek 一直在研究螳螂蝦（也稱為拇指分離器）的行為和生物力學。它們是小型甲殼動物，擁有牙籤大小的錘狀爪，它們用這些爪子來敲開蝸牛殼（或切開粗心的人的手指）。
“我們[人類]可能會用兩根牙籤認真地敲擊蝸牛殼一輩子，也永遠無法敲開蝸牛殼，對吧？”Patek 說。然而，正如她和她的同事所展示的那樣，螳螂蝦之所以能做到這一點，是因為驅動其爪子的閂鎖和彈簧系統。一塊肌肉將阻力載入到幾丁質外骨骼彈簧中，該彈簧由一個尚未表徵的閂鎖固定到位。然後閂鎖釋放，彈簧以高達每秒 30 米的速度加速錘子向外運動。“它們的攻擊類似於槍管中子彈的加速度 (105 m/s2)”，Patek 透過電子郵件澄清說。
Patek 解釋說，由於生物學家一直專注於肌肉能做什麼和不能做什麼，他們很大程度上忽略了彈簧本身。“我們需要研究這種材料在推動錘子時的行為方式，當然，還有閂鎖在做什麼，”Patek 說。現在，該團隊已在他們的論文中正式提出了這些問題，並且有了談論該問題的詞彙，他們和其他人現在正在探索各種生物和工程系統中閂鎖和彈簧的多樣性。
例如，《 科學 》論文的另一位合著者，馬里蘭大學帕克分校的機械工程師 Sarah Bergbreiter 設計了用於各種應用的微型機器人，包括搜尋和救援（例如，用於穿過地震後倒塌建築物的廢墟）、太空探索和醫療用途（微型機器人可以吞嚥在藥丸中以抓取腸道的活組織切片）。所有這些小型機器人都需要以足夠的功率移動、跳躍或打孔。首席作者、馬薩諸塞大學阿默斯特分校的物理學家和材料科學家 Mark Ilton 解釋說，其想法是利用從自然界學到的一些經驗教訓來改進小型機器人設計。
賓夕法尼亞州立大學的合著者兼生物學家 Suzanne Cox 認為，從歷史上看，生物系統一直優於工程系統，而這個新模型可能為機器人趕上生物系統鋪平道路。Patek 說，生物學在生物體和棲息地方面非常多樣化，但它沒有龐大的材料工具箱。在進化史上，只有四種聚合物材料——纖維素（在植物中）、幾丁質、膠原蛋白和彈性蛋白（昆蟲中發現的一種彈性蛋白）——以多種方式組織或成型，以最大限度地提高生物系統中機械系統的功率輸出，她解釋說。
在工程聚合物科學方面，情況則完全相反。Patek 說，材料科學家在他們的工具箱中擁有一大套材料，但他們通常沒有過多地探索如何互連這些材料或如何塑造這些材料以獲得最佳效能。“我們開發的框架基本上允許您探索這些跳躍系統的設計空間，”Bergbreiter 補充道。
適合的尺寸，適合的技巧
儘管彈簧在生物學中很有用，但電機（用於機器人）和肌肉（用於動物）與彈簧和閂鎖系統相比的優點和缺點將根據尺寸的不同而有所不同。一般來說，彈簧和閂鎖在較小尺寸下更有優勢；隨著負載質量增加，慣性使彈簧的效果降低，它們的優勢變得不太明顯。
佐治亞理工學院的生物力學工程師 Gregory Sawicki 說：“當你體型較大時，你在彈簧和電機之間所做的選擇並不那麼明確。”“如果我體型較大，我基本上可以從電機中獲得與彈簧相同的效能。因此，我可能會選擇電機，因為電機用途更廣泛。”特別是，電機或肌肉為使用者提供了更多的控制。“如果你想更仔細地控制能量流動，這些彈道彈簧系統很難處理，”他解釋說。
彈簧的另一個缺點是，將彈簧和閂鎖系統推向效能極限的生物體必須擔心破損。Patek 指出，對於螳螂蝦來說，避免自我毀滅的問題非常嚴重。“它們必須將能量從身體中釋放出來，並儘量避免讓能量返回並撕裂腿部的肌肉，”她說。
螳螂蝦、蟻獅、沫蟬和其他小東西也必須擔心它們的彈簧斷裂。這些動物在其一生中只有一套彈簧和閂鎖用於它們的肢體。彈簧斷裂可能是致命的。
它們避免破損的訣竅之一似乎是那種橡膠狀蛋白質，稱為彈性蛋白，昆蟲的翅膀鉸鏈和氣管中都含有這種蛋白質。彈性蛋白也存在於表皮彈簧中，在那裡它以幾丁質下方的薄層形式配置。事實上，幾丁質和彈性蛋白的層疊類似於數百年前弓箭手複合弓的設計，例如那些由角和木頭或皮革和木頭製成的複合弓。Sutton 解釋說，複合弓可以“抵抗損壞，並且可以重複使用而不會失去其機械效能”。不同材料的層疊可以防止任何微小的裂縫擴散，從而限制損壞，並使動物有機會在這些裂縫變得災難性之前修復它們。Sutton 指出，複合弓的設計在 1545 年由伊麗莎白女王一世的導師和劍橋學者 Roger Ascham 描述，他的歷史學家朋友首先發現了古代弓的設計與昆蟲外骨骼的微觀結構之間的相似之處。
隨著生物體變得越來越小，破損變得更加成為問題。因此，似乎存在一個最合適的體型——既不太大也不太小——動物可以在這個體型下最佳地利用閂鎖和彈簧。Haldane 在他的文章中討論了平方-立方定律和相對肌肉效率對假設的巨型跳蚤的影響。但是，根據 Patek 及其同事的工作，對跳蚤跳躍能力的真正限制似乎是，它們的微小彈簧——遠小於例如螳螂蝦的堅固彈簧——只能承受如此大的應力。
“在不使其斷裂的情況下，很難製造出非常小的彈簧，”Sutton 解釋說。“這就是為什麼跳蚤實際上跳得不是特別好——因為它們的彈簧不夠大，無法承受所涉及的力。”
例如，被稱為沫蟬的昆蟲，即使它的腿比蟋蟀和蝗蟲的腿短得多，也是一個驚人的跳躍者。它的秘訣在於，它利用腿部肌肉彎曲包裹其胸部的幾丁質外骨骼，外骨骼就像彈簧或弓一樣發揮作用。一個閂鎖將儲存在弓中的能量固定住——高達每公斤 65,000 瓦。當閂鎖釋放時，外骨骼彈回其原始形狀，釋放出強大的跳躍力，可以將沫蟬拋射到自身體長的 100 倍。
這種彈簧解決方案不僅適用於跳躍。蟻獅的頭部覆蓋著幾丁質外骨骼，頭部內部的肌肉可以像弓箭手的弓一樣彎曲它。當弓釋放時，它產生高達每公斤 200,000 瓦的功率，大顎以超過每小時 140 英里的速度猛然合上，捕捉倒黴的獵物。當面對捕食者時，蟻獅也可以用大顎猛擊地面，產生足夠的力量將自己推進空中，迅速逃生。
彈簧的使用不限於昆蟲。倫敦皇家獸醫學院的古生物機器人研究員 Christopher Richards 說，當青蛙蹲伏時，它的腿部肌肉會像彈簧一樣拉伸其長長的跟腱，並在其中儲存能量。這種積聚的張力的釋放推動了青蛙的跳躍，他正在使用機器人技術、建模和解剖學的結合來了解骨盆形狀和腿部比例各異的已滅絕青蛙過去是如何跳躍的。
然而，青蛙用來釋放儲存能量的閂鎖仍然是激烈爭論的主題。“這是一個價值百萬美元的問題，”Richards 說。“沒有人發現青蛙身上有解剖學上的閂鎖。據我所知，沒有人在脊椎動物身上發現閂鎖。”
閂鎖僅在少數昆蟲和甲殼動物系統中被發現。閂鎖比彈簧更難找到，因為閂鎖機構通常在動物體內，而不是像甲殼動物外層角質層或昆蟲外骨骼製成的易於接近的彈簧那樣。布里斯托爾大學的生物力學研究員兼工程師 Gregory Sutton 解釋說，不幸的是，解剖會破壞精巧的彈簧和閂鎖系統，因此很難確定它們在活體生物中是如何工作的。通常，研究人員最終會從已識別彈簧的突然功率釋放中推斷出閂鎖的存在。“必須有某種東西將系統從肌肉拉伸彈簧的模式切換到彈簧回彈並提供動力的模式，從而驅動巨大的運動，”Sutton 說。
第一個被發現的閂鎖是蚱蜢的閂鎖，蘇格蘭聖安德魯斯大學的 William James Heitler 在 1977 年對其進行了描述。蚱蜢使用一種稱為幾何閂鎖的東西：腿部相對的肌肉成對工作。首先，當腿完全彎曲時，腿部的大肌肉載入彈簧，而較小的肌肉穩定膝關節。透過稍微移動關節，較小的肌肉然後引起兩個肌肉的力臂的變化，並觸發關節失控旋轉，從而引發跳躍。
超越理想化的彈簧
儘管小型生物使用的彈簧和閂鎖系統已經被研究了幾十年，但科學家對它們的理解存在一個嚴重的弱點。“到目前為止，我們基本上將彈簧系統視為好像它們在儲存能量和釋放功率方面具有無限的能力，”Roberts 解釋說。當所涉及彈簧的質量相對於身體質量可以忽略不計時，這是一個可以接受的假設。但是，任何彈簧的機械約束是，當它解除安裝能量時，它必須移動自身的質量，這不可避免地會降低彈簧的力輸出，其降低方式與運動物體的速度成正比，Roberts 說。對於小型系統，彈簧的質量經常成為總質量的相當大的一部分，必須加以考慮。
閂鎖也被以理想化的方式建模，就好像它們瞬間釋放彈簧一樣。但是，閂鎖釋放彈簧中儲存的能量的速度被證明很重要：它決定了彈簧上的負載可以加速多快，Richards 說。如果動物在它們生物力學系統中釋放閂鎖的速度受到限制，它們的效能也會受到限制。
在 4 月 26 日的《 科學 》論文中，一個由工程師、物理學家、生理學家、生物力學研究人員和材料科學家組成的跨學科團隊提出了一個新的理論模型，該模型明確使用了肌肉、閂鎖和彈簧的這些真實（而非理想化）特性，並從數學上描述了這些元件的特性必須如何相互調整才能最佳化效能。
“對我來說，這裡的主要突破是，現在我們可以跟蹤力量的路徑，”該論文的資深作者、杜克大學副教授 Sheila Patek 說，她研究運動力學。“我們可以看到哪些系統應該由彈簧和閂鎖控制，哪些系統不會從中受益，並且我們可以更好地處理以前沒有意義的生物學中的經典縮放[問題]。”
螳螂蝦和機器人
自 2002 年以來，Patek 一直在研究螳螂蝦（也稱為拇指分離器）的行為和生物力學。它們是小型甲殼動物，擁有牙籤大小的錘狀爪，它們用這些爪子來敲開蝸牛殼（或切開粗心的人的手指）。
“我們[人類]可能會用兩根牙籤認真地敲擊蝸牛殼一輩子，也永遠無法敲開蝸牛殼，對吧？”Patek 說。然而，正如她和她的同事所展示的那樣，螳螂蝦之所以能做到這一點，是因為驅動其爪子的閂鎖和彈簧系統。一塊肌肉將阻力載入到幾丁質外骨骼彈簧中，該彈簧由一個尚未表徵的閂鎖固定到位。然後閂鎖釋放，彈簧以高達每秒 30 米的速度加速錘子向外運動。“它們的攻擊類似於槍管中子彈的加速度 (105 m/s2)”，Patek 透過電子郵件澄清說。
Patek 解釋說，由於生物學家一直專注於肌肉能做什麼和不能做什麼，他們很大程度上忽略了彈簧本身。“我們需要研究這種材料在推動錘子時的行為方式，當然，還有閂鎖在做什麼，”Patek 說。現在，該團隊已在他們的論文中正式提出了這些問題，並且有了談論該問題的詞彙，他們和其他人現在正在探索各種生物和工程系統中閂鎖和彈簧的多樣性。
例如，《 科學 》論文的另一位合著者，馬里蘭大學帕克分校的機械工程師 Sarah Bergbreiter 設計了用於各種應用的微型機器人，包括搜尋和救援（例如，用於穿過地震後倒塌建築物的廢墟）、太空探索和醫療用途（微型機器人可以吞嚥在藥丸中以抓取腸道的活組織切片）。所有這些小型機器人都需要以足夠的功率移動、跳躍或打孔。首席作者、馬薩諸塞大學阿默斯特分校的物理學家和材料科學家 Mark Ilton 解釋說，其想法是利用從自然界學到的一些經驗教訓來改進小型機器人設計。
賓夕法尼亞州立大學的合著者兼生物學家 Suzanne Cox 認為，從歷史上看，生物系統一直優於工程系統，而這個新模型可能為機器人趕上生物系統鋪平道路。Patek 說，生物學在生物體和棲息地方面非常多樣化，但它沒有龐大的材料工具箱。在進化史上，只有四種聚合物材料——纖維素（在植物中）、幾丁質、膠原蛋白和彈性蛋白（昆蟲中發現的一種彈性蛋白）——以多種方式組織或成型，以最大限度地提高生物系統中機械系統的功率輸出，她解釋說。
在工程聚合物科學方面，情況則完全相反。Patek 說，材料科學家在他們的工具箱中擁有一大套材料，但他們通常沒有過多地探索如何互連這些材料或如何塑造這些材料以獲得最佳效能。“我們開發的框架基本上允許您探索這些跳躍系統的設計空間，”Bergbreiter 補充道。
適合的尺寸，適合的技巧
儘管彈簧在生物學中很有用，但電機（用於機器人）和肌肉（用於動物）與彈簧和閂鎖系統相比的優點和缺點將根據尺寸的不同而有所不同。一般來說，彈簧和閂鎖在較小尺寸下更有優勢；隨著負載質量增加，慣性使彈簧的效果降低，它們的優勢變得不太明顯。
佐治亞理工學院的生物力學工程師 Gregory Sawicki 說：“當你體型較大時，你在彈簧和電機之間所做的選擇並不那麼明確。”“如果我體型較大，我基本上可以從電機中獲得與彈簧相同的效能。因此，我可能會選擇電機，因為電機用途更廣泛。”特別是，電機或肌肉為使用者提供了更多的控制。“如果你想更仔細地控制能量流動，這些彈道彈簧系統很難處理，”他解釋說。
彈簧的另一個缺點是，將彈簧和閂鎖系統推向效能極限的生物體必須擔心破損。Patek 指出，對於螳螂蝦來說，避免自我毀滅的問題非常嚴重。“它們必須將能量從身體中釋放出來，並儘量避免讓能量返回並撕裂腿部的肌肉，”她說。
螳螂蝦、蟻獅、沫蟬和其他小東西也必須擔心它們的彈簧斷裂。這些動物在其一生中只有一套彈簧和閂鎖用於它們的肢體。彈簧斷裂可能是致命的。
它們避免破損的訣竅之一似乎是那種橡膠狀蛋白質，稱為彈性蛋白，昆蟲的翅膀鉸鏈和氣管中都含有這種蛋白質。彈性蛋白也存在於表皮彈簧中，在那裡它以幾丁質下方的薄層形式配置。事實上，幾丁質和彈性蛋白的層疊類似於數百年前弓箭手複合弓的設計，例如那些由角和木頭或皮革和木頭製成的複合弓。Sutton 解釋說，複合弓可以“抵抗損壞，並且可以重複使用而不會失去其機械效能”。不同材料的層疊可以防止任何微小的裂縫擴散，從而限制損壞，並使動物有機會在這些裂縫變得災難性之前修復它們。Sutton 指出，複合弓的設計在 1545 年由伊麗莎白女王一世的導師和劍橋學者 Roger Ascham 描述，他的歷史學家朋友首先發現了古代弓的設計與昆蟲外骨骼的微觀結構之間的相似之處。
隨著生物體變得越來越小，破損變得更加成為問題。因此，似乎存在一個最合適的體型——既不太大也不太小——動物可以在這個體型下最佳地利用閂鎖和彈簧。Haldane 在他的文章中討論了平方-立方定律和相對肌肉效率對假設的巨型跳蚤的影響。但是，根據 Patek 及其同事的工作，對跳蚤跳躍能力的真正限制似乎是，它們的微小彈簧——遠小於例如螳螂蝦的堅固彈簧——只能承受如此大的應力。
“在不使其斷裂的情況下，很難製造出非常小的彈簧，”Sutton 解釋說。“這就是為什麼跳蚤實際上跳得不是特別好——因為它們的彈簧不夠大，無法承受所涉及的力。”
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