Pendahuluan

Seekor ikan dapat berbelok tajam di antara batu karang, mempercepat geraknya dalam waktu singkat, lalu melambat hampir tanpa hentakan. Seekor burung dapat meluncur jauh dengan kepakan minimal, memanfaatkan angin naik, mengubah bentuk sayap, dan mendarat pada ranting kecil. Seekor serangga dapat melayang di tempat dengan sayap yang sangat kecil dibandingkan ukuran pesawat. Dari sudut pandang rekayasa, perilaku seperti ini tampak mengherankan: tidak ada baling-baling besar, tidak ada mesin raksasa, tidak ada struktur kaku seperti sayap pesawat komersial, tetapi geraknya sering sangat lincah dan hemat energi pada skala tubuhnya.

Buku ini berangkat dari rasa ingin tahu tersebut. Pertanyaan utamanya bukan “mengapa hewan selalu lebih cepat daripada mesin?” karena itu tidak benar secara umum. Pesawat jet jelas jauh lebih cepat daripada burung, dan kapal cepat dapat melampaui banyak hewan air dalam kecepatan absolut. Pertanyaan yang lebih tepat adalah: bagaimana makhluk hidup menghasilkan lokomosi yang efektif, lincah, dan sering sangat efisien dalam batas ukuran tubuh, daya otot, dan lingkungan tempat mereka bergerak? Pertanyaan ini membawa kita ke wilayah biomekanika lokomosi.

Biomekanika adalah kajian tentang sistem hayati dengan menggunakan konsep mekanika. Mekanika sendiri adalah cabang fisika yang mempelajari gerak, gaya, energi, momentum, dan keseimbangan. Jadi, ketika kita bertanya bagaimana ikan berenang, burung terbang, atau manusia berlari, kita tidak hanya menamai bagian tubuhnya, tetapi juga menanyakan besaran fisisnya: gaya apa yang bekerja, energi dari mana yang dipakai, momentum fluida ke mana dipindahkan, dan mengapa pola gerak tertentu lebih hemat daripada pola lain. Buku-buku seperti Principles of Animal Locomotion oleh Alexander dan Animal Locomotion oleh Biewener dan Patek menunjukkan bahwa gerak hewan dapat dipahami sebagai gabungan antara anatomi, fisiologi, mekanika, dan interaksi dengan lingkungan (Alexander, 2003; Biewener & Patek, 2018).

Kata lokomosi berarti gerak berpindah tempat. Jika seekor ikan mengibas ekor tetapi tetap di tempat dalam arus air, itu belum tentu lokomosi bersih relatif terhadap dasar perairan. Jika seekor burung melayang di udara, ia mungkin mempertahankan posisi terhadap tanah, tetapi tetap menghasilkan gaya aerodinamis untuk menahan berat tubuhnya. Karena itu, lokomosi tidak selalu berarti “maju lurus”; lokomosi mencakup berenang, terbang, berjalan, berlari, melompat, merayap, melayang, bermanuver, mengerem, dan mempertahankan posisi dalam arus.

Satu gagasan penting sejak awal adalah bahwa makhluk hidup tidak bergerak di ruang kosong. Ikan bergerak di air, burung dan serangga bergerak di udara, hewan darat bergerak di atas tanah, pasir, rumput, lumpur, atau permukaan lain. Lingkungan bukan sekadar penghalang; lingkungan juga menjadi “pasangan mekanik” yang menerima gaya dan momentum. Seekor ikan maju karena tubuh dan siripnya mendorong air ke arah tertentu. Seekor burung tetap terangkat karena sayapnya mengubah momentum udara dan membentuk perbedaan tekanan. Seekor pelari maju karena kakinya menekan tanah ke belakang sehingga tanah memberikan gaya reaksi ke depan. Dalam semua contoh ini, gerak muncul dari interaksi tubuh-lingkungan, bukan hanya dari kekuatan internal tubuh.

Di sinilah fisika menjadi bahasa yang sangat berguna. Fisika tidak mengganti biologi, tetapi membantu kita menanyakan pertanyaan yang lebih tajam. Misalnya, jika kita mengatakan “ikan itu kuat”, pernyataan itu masih terlalu umum. Dalam analisis fisis, kita dapat bertanya: berapa gaya dorongnya, berapa daya mekanik yang dihasilkan, berapa energi metabolik yang dipakai, berapa besar gaya hambatnya, dan bagaimana pola vorteks di belakang tubuhnya? Kajian fluida biologis, seperti yang dibahas oleh Vogel, menunjukkan bahwa air dan udara dapat menghasilkan perilaku aliran yang sangat berbeda bergantung pada ukuran tubuh, kecepatan, viskositas, dan bentuk benda yang bergerak di dalamnya (Vogel, 1994).

Efisiensi bukan sekadar kecepatan

Dalam percakapan sehari-hari, gerak efisien sering disamakan dengan gerak cepat. Dalam biomekanika, ini harus dibedakan. Kecepatan adalah perubahan posisi per satuan waktu. Jika seekor ikan menempuh 2 meter dalam 1 detik, kecepatannya 2 m/s. Namun efisiensi berkaitan dengan perbandingan antara hasil yang berguna dan biaya yang harus dibayar. Dalam lokomosi, hasil yang berguna dapat berupa jarak tempuh, gaya dorong, kemampuan bermanuver, atau waktu bertahan; biayanya dapat berupa energi metabolik pada hewan atau energi listrik pada robot.

Contoh sederhana: dua robot ikan menempuh jarak 100 meter. Robot A selesai dalam 50 detik dan memakai energi 10.000 joule. Robot B selesai dalam 80 detik dan memakai energi 3.000 joule. Robot A lebih cepat, tetapi Robot B lebih hemat energi. Jika misi robot adalah mengejar target cepat, Robot A mungkin lebih baik. Jika misinya memantau terumbu karang selama berjam-jam, Robot B mungkin jauh lebih berguna. Jadi, desain lokomosi selalu bergantung pada tujuan.

Salah satu ukuran penting dalam studi lokomosi adalah cost of transport, sering disingkat COT, yaitu biaya energi untuk memindahkan berat tubuh sejauh jarak tertentu. Dalam bentuk berdimensi, biaya transportasi dapat ditulis sebagai energi per jarak, misalnya joule per meter. Dalam bentuk tak berdimensi yang sering dipakai untuk membandingkan hewan berbeda ukuran, energi dibagi dengan berat tubuh dan jarak:

\[ COT = \frac{E}{mgd} \]

dengan \(E\) adalah energi yang digunakan, \(m\) massa tubuh, \(g\) percepatan gravitasi, dan \(d\) jarak tempuh. Rumus ini tidak berarti semua detail fisiologi sudah selesai; ia hanya memberi cara awal untuk membandingkan biaya gerak antarhewan atau antarrobot. Studi klasik tentang energetika lokomosi darat menunjukkan bahwa biaya metabolik untuk bergerak berkaitan dengan ukuran tubuh dan kecepatan, tetapi hubungannya tidak dapat dipahami hanya dari kecepatan absolut (Taylor, Heglund, & Maloiy, 1982).

Perhatikan bahwa efisiensi juga memiliki beberapa makna. Efisiensi otot membandingkan kerja mekanik yang dihasilkan otot dengan energi kimia yang digunakan. Efisiensi propulsif membandingkan energi yang berguna untuk menggerakkan tubuh maju dengan energi yang diberikan ke fluida atau lingkungan. Efisiensi sistem pada robot mencakup motor, transmisi, baterai, sensor, kontrol, serta kerugian mekanik. Karena itu, ketika buku ini memakai kata “efisien”, kita akan selalu bertanya: efisien menurut ukuran apa?

Mengapa tubuh lentur sering menguntungkan

Mesin buatan manusia sering dirancang kaku agar mudah dihitung dan dikendalikan. Sebaliknya, banyak makhluk hidup memakai tubuh, sirip, sayap, tendon, dan kaki yang lentur. Lentur tidak berarti lemah. Dalam konteks biomekanika, kelenturan dapat menyimpan energi elastis, menunda atau mengubah waktu pelepasan gaya, membentuk aliran, dan membantu stabilitas.

Bayangkan seseorang melompat dengan lutut terkunci kaku. Gerak itu tidak nyaman dan tidak efektif. Ketika lutut, pergelangan kaki, otot, dan tendon bekerja bersama, sebagian energi dapat disimpan sementara dalam jaringan elastis lalu dikembalikan. Pada hewan pelari, tendon dapat berperan seperti pegas biologis. Pada ikan, tubuh dan sirip yang fleksibel dapat menghasilkan gelombang gerak yang berinteraksi dengan air. Pada burung, sayap tidak hanya bergerak naik-turun sebagai papan datar; bentuknya berubah selama satu siklus kepakan. Dalam kajian ikan dan mamalia laut, kontrol aliran pasif dan aktif oleh tubuh serta sirip menjadi bagian penting dari kemampuan berenang yang efisien dan lincah (Fish & Lauder, 2006).

Contoh lain terdapat pada serangga. Sayap serangga tidak selalu bekerja seperti sayap pesawat dalam aliran stasioner sederhana. Banyak serangga memanfaatkan aerodinamika tak tunak, yaitu keadaan ketika aliran berubah cepat sepanjang waktu akibat kepakan, rotasi sayap, dan interaksi dengan vorteks sebelumnya. Mekanisme seperti rotasi sayap dapat berperan penting dalam pembangkitan gaya aerodinamis pada serangga kecil (Dickinson, Lehmann, & Sane, 1999). Artinya, desain bioinspiratif tidak cukup dengan menyalin bentuk luar sayap; kita harus memahami prinsip fisis yang membuatnya bekerja.

Dari pengamatan biologis ke model fisis

Buku ini akan sering mengubah pengamatan menjadi model. Model fisis adalah representasi sederhana dari sistem nyata yang mempertahankan unsur paling penting untuk menjawab pertanyaan tertentu. Model bukan salinan lengkap kenyataan. Justru karena disederhanakan, model membantu kita melihat hubungan sebab-akibat.

Misalnya, gerak berjalan manusia dapat dimodelkan sebagai pendulum terbalik: tubuh bergerak seperti massa yang bertumpu pada kaki yang relatif kaku selama fase tumpuan. Model ini tidak memuat semua otot, tulang, dan sendi, tetapi berguna untuk memahami pertukaran energi potensial dan kinetik saat berjalan. Gerak berlari dapat dimodelkan sebagai sistem massa-pegas: tubuh seperti massa yang memantul di atas kaki elastis. Dalam lokomosi berkaki, pendekatan “template and anchor” menjelaskan perbedaan antara model sederhana yang menangkap pola umum gerak dan struktur biologis nyata yang menjalankan pola tersebut (Full & Koditschek, 1999).

Untuk ikan, model awal dapat berupa foil yang berosilasi dalam fluida. Foil adalah bentuk mirip sayap atau sirip yang dapat menghasilkan gaya ketika bergerak relatif terhadap fluida. Model ini tentu tidak menangkap semua detail otot ikan, fleksibilitas jaringan, dan kontrol saraf, tetapi dapat membantu memahami bagaimana perubahan sudut, frekuensi, dan amplitudo gerak memengaruhi gaya dorong. Dalam robotika ikan, penggunaan model dan eksperimen hidrodinamika membantu menghubungkan kinematika sirip dengan gaya propulsi dan efisiensi (Lauder et al., 2007).

Pada tahap lanjut, model dapat menjadi lebih kompleks: dinamika multibodi, teori gaya resistif, teori elemen bilah, model vorteks, simulasi fluida komputasional, dan interaksi fluida-struktur. Namun buku ini tidak akan langsung meloncat ke perangkat matematika berat. Kita akan membangun dari konsep dasar: posisi, kecepatan, gaya, kerja, energi, daya, tekanan, viskositas, vorteks, stabilitas, dan kontrol.

Apa yang sebenarnya ditiru dalam robot bioinspiratif?

Kata bioinspiratif berarti terinspirasi oleh sistem biologis. Namun inspirasi biologis dapat dangkal atau mendalam. Peniruan dangkal terjadi ketika robot hanya dibuat mirip secara bentuk fisik: robot ikan diberi badan seperti ikan, robot burung diberi sayap seperti burung, robot serangga dibuat kecil dan berkaki enam. Peniruan mendalam terjadi ketika perancang memahami prinsip fisis yang membuat makhluk hidup bekerja dengan baik, lalu menerapkannya sesuai kebutuhan rekayasa.

Contoh: jika kita ingin merancang robot ikan hemat energi, pertanyaan penting bukan hanya “bagaimana bentuk ikan tuna?” tetapi juga “pada kecepatan dan ukuran robot ini, berapa bilangan Reynolds-nya, bagaimana gaya hambatnya, berapa frekuensi osilasi yang masuk akal, seberapa fleksibel ekornya, dan bagaimana aktuator mengirim daya ke sirip?” Jika robot terlalu kecil, terlalu lambat, atau memakai material berbeda, pola gerak hewan rujukan mungkin tidak langsung cocok. Inilah mengapa bab tentang skala dan bilangan tak berdimensi sangat penting.

Demikian pula pada robot burung. Sayap kaku dengan motor kuat mungkin dapat terbang, tetapi belum tentu meniru keunggulan burung. Burung mengubah bentuk sayap, mengatur bulu primer, memanfaatkan gliding dan soaring, serta menyesuaikan gerak terhadap angin. Aerodinamika burung melibatkan hubungan antara wing loading, aspect ratio, kepakan, dan mode terbang yang berbeda; aspek-aspek ini dibahas secara mendalam dalam literatur penerbangan burung (Pennycuick, 2008). Robot yang baik tidak harus menjadi “burung palsu”; ia harus menjadi mesin yang menggunakan prinsip yang tepat untuk tugasnya.

Peta perjalanan buku

Bab 1 akan memetakan pertanyaan besar: mengapa lokomosi makhluk hidup bisa efisien, dan bagaimana efisiensi itu diukur. Bab 2 dan Bab 3 membangun dasar mekanika dan kinematika. Di sana kita belajar membedakan deskripsi gerak dari penyebab gerak. Misalnya, sudut sendi, frekuensi kepakan, dan panjang langkah adalah bagian dari kinematika; gaya otot, gaya reaksi tanah, dan tekanan fluida adalah bagian dari dinamika.

Bab 4 dan Bab 5 membahas energi, otot, tendon, dan aktuator biologis. Ini penting karena hewan tidak memiliki motor ideal. Otot memiliki batas gaya, batas kecepatan kontraksi, dan keterlambatan aktivasi. Tendon dan jaringan elastis dapat membantu, tetapi juga memiliki batas. Pemahaman ini akan berguna ketika kita memilih motor listrik, aktuator lunak, atau mekanisme elastis pada robot.

Bab 6 sampai Bab 13 membawa kita ke dunia fluida: air dan udara. Kita akan mempelajari bilangan Reynolds, bilangan Strouhal, gaya hambat, gaya angkat, vorteks, dan propulsi. Tujuannya bukan menghafal rumus, melainkan memahami makna fisis: kapan viskositas penting, kapan inersia fluida dominan, mengapa bentuk ramping mengurangi hambatan, dan bagaimana kepakan dapat menghasilkan gaya dorong.

Bab 14 dan Bab 15 memindahkan perhatian ke darat dan substrat kompleks. Berjalan di lantai keras berbeda dari berjalan di pasir atau lumpur. Hewan dan robot harus menyesuaikan strategi terhadap permukaan. Bab 16 dan Bab 17 kemudian menghubungkan gerak dengan kontrol, stabilitas, dan gagasan bahwa bentuk tubuh dapat membantu “menghitung” sebagian masalah gerak melalui interaksi pasif dengan lingkungan. Konsep ini sering dibahas dalam kerangka embodied intelligence dan morphological computation.

Bab 18 sampai Bab 23 bergerak lebih dekat ke rekayasa. Kita akan membahas material, struktur fleksibel, sensor, aktuator, pemodelan, simulasi, eksperimen, optimisasi, dan studi kasus robot ikan, robot burung, serta robot serangga. Bab 24 menutup dengan pertanyaan tanggung jawab: kapan analogi biologis berguna, kapan menyesatkan, dan bagaimana merancang robot yang aman, berkelanjutan, serta tidak merusak ekosistem.

Cara berpikir yang akan dilatih

Buku ini tidak hanya ingin membuat Anda tahu bahwa ikan menghasilkan vorteks atau burung mengubah bentuk sayap. Tujuan yang lebih penting adalah melatih cara berpikir biomekanik. Setiap kali melihat gerak makhluk hidup, Anda diajak bertanya:

Apa sistem yang sedang dianalisis?
Apa lingkungan yang berinteraksi dengannya?
Besaran fisis apa yang perlu diukur?
Energi masuk dari mana dan hilang ke mana?
Gaya apa yang berguna dan gaya apa yang menjadi hambatan?
Bagian mana yang aktif dikendalikan, dan bagian mana yang bekerja pasif karena bentuk atau elastisitas?
Jika prinsip ini diterapkan pada robot, apa yang harus dipertahankan dan apa yang boleh diubah?

Pertanyaan-pertanyaan ini akan muncul berulang kali. Pada awalnya mungkin terasa lambat, tetapi inilah cara membangun pemahaman yang dapat dipakai untuk merancang. Seorang perancang robot bioinspiratif tidak cukup hanya mengagumi alam. Ia harus dapat menerjemahkan gerak alam menjadi hipotesis, model, pengukuran, desain, eksperimen, dan perbaikan.

Bila ada satu pesan awal dari pendahuluan ini, pesannya adalah: makhluk hidup bergerak efisien bukan karena melanggar fisika, melainkan karena bentuk tubuh, material, kontrol, dan lingkungannya bekerja bersama di dalam batas-batas hukum fisis. Tugas kita adalah memahami kerja sama itu dengan teliti, lalu mengambil prinsip yang benar untuk merancang sistem buatan yang lebih hemat energi, lebih lincah, dan lebih sesuai dengan tugasnya.

References

Alexander, R. McNeill. (2003). Principles of Animal Locomotion. Princeton University Press.

Biewener, A. A., & Patek, S. N. (2018). Animal Locomotion (2nd ed.). Oxford University Press.

Dickinson, M. H., Lehmann, F.-O., & Sane, S. P. (1999). Wing rotation and the aerodynamic basis of insect flight. Science, 284(5422), 1954–1960.

Fish, F. E., & Lauder, G. V. (2006). Passive and active flow control by swimming fishes and mammals. Annual Review of Fluid Mechanics, 38, 193–224.

Full, R. J., & Koditschek, D. E. (1999). Templates and anchors: Neuromechanical hypotheses of legged locomotion on land. Journal of Experimental Biology, 202(23), 3325–3332.

Lauder, G. V., Anderson, E. J., Tangorra, J., & Madden, P. G. A. (2007). Fish biorobotics: Kinematics and hydrodynamics of self-propulsion. Journal of Experimental Biology, 210, 2767–2780.

Pennycuick, C. J. (2008). Modelling the Flying Bird. Academic Press.

Taylor, C. R., Heglund, N. C., & Maloiy, G. M. O. (1982). Energetics and mechanics of terrestrial locomotion. I. Metabolic energy consumption as a function of speed and body size in birds and mammals. Journal of Experimental Biology, 97, 1–21.

Vogel, S. (1994). Life in Moving Fluids: The Physical Biology of Flow (2nd ed.). Princeton University Press.