Maximale humanoide körperliche Stärke

Viele Faktoren müssen berücksichtigt werden, um die effektive Stärke einer menschenähnlichen Form auf realistische Weise zu erhöhen. Man kann immer nur ein paar dieser Faktoren hochskalieren und sagen: „Wow, schau dir an, wie stark das wäre!“, aber in der Praxis umgesetzt, würde irgendetwas entweder versagen oder das naiv berechnete Maximum begrenzen Anstrengung. Dies ist ein Problem der Technik, nicht nur der Physik und der Materialwissenschaften, und es müssen immer Kompromisse eingegangen werden.

1. Stärke der Materialien: Stärkere Materialien können mehr Kraft aushalten, bevor sie beschädigt werden. Jegliche Diskrepanz zwischen Aktuator- und Skelettstärke erhöht die Wahrscheinlichkeit eines mechanischen Versagens.

2. Dichte der Materialien: Je leichter die Materialien sind, desto weniger Kraft wird benötigt, um daraus hergestellte Gegenstände zu bewegen.

3. Die maximale Kraft, die von den Aktuatoren pro Masseneinheit ausgeübt werden kann: Je mehr Kraft pro Masseneinheit ausgeübt werden kann, desto weniger wird benötigt, um einfach die Gliedmaßen der Person zu bewegen, und desto mehr kann auf die Umgebung ausgeübt werden.

4. Die innere Reibung der Aktuatoren und Gelenke. Je höher, desto weniger effizient – ​​und langsamer – wird der Humanoid sein.

5. Die maximale Geschwindigkeit der Aktuatoren. Zusätzliche Geschwindigkeit kann erreicht werden, indem Aktuatoren in Reihe geschaltet werden, aber eine zunehmende Stärke erfordert, dass sie parallel angeordnet werden.

6. Das Hebelverhältnis der Gelenke des Humanoiden: Höhere Kraft bedeutet geringere Geschwindigkeit.

7. Die maximal zulässige Zeit für den Übergang eines Gelenks zwischen vollständig gebeugt und vollständig gestreckt: Der Humanoide könnte ansonsten immens stark sein, aber nicht in der Lage sein, eine Schnecke zu überholen.

8. Die Energieeffizienz der Aktoren. Weniger effiziente Aktuatoren erfordern mehr Energiezufuhr - und erzeugen mehr Abwärme, wodurch die maximale Dauer der maximalen Anstrengung sowie die maximale Anzahl von Aktuatoren für die verfügbare Kühlleistung und thermische Toleranz begrenzt werden. Angesichts der Tatsache, dass kein Mechanismus jemals zu 100% effizient ist, wenn seine Muskeln genauso effizient wären wie unsere, sollte Superman sichtbar von der Abwärme glühen, wenn er seine Superkraft anwendet, obwohl vielleicht dort die Hitze für die Hitze seiner Augen liegt Strahlen kommen aus ...

9. Die thermische Toleranz des Humanoiden: Erhöhen Sie die Temperatur eines Menschen um mehr als ein paar Grad, und die Effizienz und Wirksamkeit aller möglichen Dinge wird erheblich reduziert. Das Gleiche gilt für die meisten physikalischen Systeme außerhalb eines Vakuums.

10. Die Kühlkapazität des Humanoiden: Menschen haben eine der besten Kühlkapazitäten aller Arten auf der Erde, was es einem ausreichend fitten Individuum ermöglicht, Mitglieder der meisten anderen Landtierarten buchstäblich herunterzufahren, nur auf der Grundlage, dass ein Mensch dabei eine optimale Körpertemperatur aufrechterhalten kann Laufen in einem Tempo, bei dem die Körpertemperatur so ziemlich jeder anderen Tierart ansteigt. Halten Sie dies lange genug aufrecht, und die steigende Körpertemperatur der Beute wird schließlich einen physischen Zusammenbruch verursachen. Außerdem könnten bei unzureichender interner Wärmeumverteilungskapazität lokale Temperaturunterschiede bis zu dem Punkt zunehmen, an dem lokalisierte Schäden auftreten würden.

11. Die verfügbare Energie des Humanoiden und seine maximale Abgaberate an die Aktuatoren: Es hat keinen Sinn, Aktuatoren zu haben, die große Mengen an Strom verbrauchen, wenn ihnen nicht genügend Strom zugeführt werden kann oder wenn genügend Strom zugeführt werden kann , aber nicht für eine ausreichende Menge an Zeit.

12. Ob die Aktuatoren des Humanoiden nur dann eine Energiezufuhr erfordern, wenn sie ihre Position ändern, oder ob Energie erforderlich ist, um eine bestimmte Kraft aufrechtzuerhalten – dh eine elektrische Schraubenwinde im Vergleich zu einem elektromagnetischen Linearaktuator mit langem Hub; Ersteres erfordert nur Kraft, um seine Position zu ändern, während Letzteres (mehr) Kraft benötigt, um eine bestimmte Position irgendwo zwischen vollständig gestreckt und vollständig zusammengezogen beizubehalten, und weniger (oder gar keine), wenn es an den Grenzen seiner Bewegung ist: Tierische Muskeln fallen in den letztere Kategorie, die die basalen Stoffwechselkosten von Dingen erhöht, die so einfach sind wie das Aufrechterhalten einer statischen Stehhaltung, aber wenn ein Humanoid Aktuatoren hätte, die in die erstere Kategorie fallen, würden nur Aktuatoren, die sich aktiv bewegen, Energie verbrauchen, obwohl das Aufrechterhalten einer Stehposition etwas mehr sein kann aktive Aufgabe, als es scheinen mag.

13. Die optimale Betriebstemperatur des Humanoiden: Wenn diese zu stark von der Umgebungstemperatur abweicht, muss Energie aufgewendet werden, um sie aufrechtzuerhalten – oder zu erreichen – oder der Humanoid leidet an Effizienzverlusten oder an mechanischem Versagen, wenn seine interne Kühl- oder Heizkapazität dies nicht kann Schritt halten mit der Wärmeübertragungsrate, die proportional zur Temperaturdifferenz zunimmt.

14. Der Isolationsfaktor der Haut des Humanoiden. Durch die Verringerung der Geschwindigkeit, mit der Wärme gewonnen oder abgegeben wird, kann dies die Effizienz des Humanoiden im Ruhezustand erhöhen, aber die Aufgabe, mit Abwärme umzugehen, behindern.

15. Die Umgebungstemperatur: Während bei der Optimierung eines realen mechanischen Systems die Durchschnittstemperatur wichtig ist, ist auch die Schwankungsbreite wichtig. Je geringer die Schwankungsbreite ist, desto einfacher ist es, ein System für den Betrieb unter diesen Bedingungen zu optimieren. In der Lage zu sein, eine größere Vielfalt von Bedingungen zu tolerieren, kann nützlich sein, um überleben zu können, erhöht aber auch die Kosten für Isolierung und Kühlung, und Systeme, die einen engeren Bereich akzeptabler Bedingungen akzeptieren, haben geringere metabolische Anforderungen als diejenigen, die alle möglichen Bedingungen berücksichtigen. allerdings auf Kosten einer erhöhten Wahrscheinlichkeit von expositionsbedingten Verletzungen oder Todesfällen.

16. Die Masse jeglicher Unterstützungsausrüstung, die erforderlich ist, damit der Humanoid über einen angemessenen Zeitraum unabhängig funktionieren kann. Wenn dieser Humanoid nicht wie ein Evangelion mit einem Kabel zur Stromversorgung ist – was seine eigenen Probleme hätte – muss er alles, was er braucht, mit sich herumtragen. Wenn es viel Energie benötigt, sollte es besser sein, diese Energie kompakt zu speichern .

Wie man sieht, ist dies also ein sehr schwieriges Problem. Sicher, Sie möchten vielleicht einen „Supermann“, aber Sie müssen all diese Fragen – und mehr – beantworten, bevor Sie überhaupt anfangen können , seine realistischen Fähigkeiten aufzuzählen.

Nehmen wir jedoch an, wir brauchen einen „Übermenschen“ mit annähernd menschlichen Belastungsdauerkapazitäten und gleichwertigen Umweltoptima. Wir bräuchten höherfeste Materialien, stärkere, leichtere und effizientere Aktuatoren und wahrscheinlich auch eine bessere Kühlleistung. Bei intelligentem Design anstelle von Evolution könnten wir Ergebnisse erzielen, die sich niemals auf natürliche Weise entwickeln könnten. Wir sind jedoch immer noch durch die reale Chemie und Physik begrenzt.

Es ist nicht realistisch, einen Zeitraum maximaler Anstrengung von nur 10 Sekunden anzugeben, es sei denn, Ihr Humanoid kann in dieser Zeit alles erreichen, was ein Mensch in vielleicht nur 5 Minuten erreichen könnte . Wenn Ihr Humanoid so schnell wäre, müsste er eine Menge Kraft eingetauscht haben – sowohl strukturelle als auch die Kraft, die er auf externe Objekte ausüben könnte – um diese Geschwindigkeit zu erreichen.

Für einen Superhelden wäre eine realistische Dauer erhöhter Anstrengung eher 5 bis 10 Minuten . Als Kampfsportler, der in meinem Dojo Karate und Hapkido praktiziert, beinhaltet die Prüfung für den schwarzen Gürtel, zehn Minuten ununterbrochen zu kämpfen. Da ein Superheld seine Ergebnisse vielleicht etwas schneller erreichen kann als ein Mensch, könnten fünf Minuten ein vernünftiger Kompromiss sein.

Wenn wir unseren Superhelden aus leichten, starken Materialien wie Kohlefaser (vielleicht 20-mal stärker als menschlicher Knochen) bauen, verwenden wir superstarke künstlich hergestellte Muskeln, die bis zu hundertmal stärker sind als ein menschlicher Muskel wie dieser , und liefern eine LENR -Atomkraft Versorgung, dann ist es denkbar, dass eine menschengroße und geformte Form (bei einem Wettkampf wie dem Stoßen und Stoßen im olympischen Gewichtheben) nicht 263 kg (der aktuelle menschliche Weltrekord), sondern etwas in der Größenordnung von 10.000 kg heben könnte.

Große Gewichte heben zu können, ist jedoch nicht alles, was ein Superheld ausmacht. In der Lage zu sein, zehn Tonnen mit der gleichen Geschwindigkeit wie ein Mensch zu heben, bedeutet nicht, dass Sie härter schlagen, es sei denn, die Aktuatoren sind auch schneller - wenn Ihr Arm so viel wiegt wie der eines Menschen und genauso schnell beschleunigt, dann ist die Aufprallkraft größer das Gleiche. Ein solcher Superheld könnte jedoch einfach eine 50-kg-Handhantel in jede Hand nehmen und trotzdem genauso schnell zuschlagen. Angesichts der Physikformel$e= 1/2mv^2$, die Masse eines vielleicht 10 kg schweren Arms künstlich um 50 kg zu erhöhen und immer noch mit der gleichen Aufprallgeschwindigkeit zu treffen, würde die Aufprallenergie um den Faktor sechs erhöhen und einen Schlag von etwas, das einen Knochen brechen könnte , zu etwas ändern, das viel wahrscheinlicher ist jedes Mal, wenn es landet, Knochen brechen oder einen Menschen die meiste Zeit mit einem einzigen Schlag tödlich erschüttern.

Wenn unser intelligent gestalteter Superheld dies jedoch für längere Zeit tun würde, sagen wir in einem fünfminütigen Kampf mit allen Kräften, dann würde er viel mehr Abwärme erzeugen als jeder Mensch in der gleichen Situation. viel mehr Kühlleistung benötigen, als selbst ein „nur“ gewachsener menschlicher Körper aufbringen kann. Sein Atem könnte wie ein Föhn sein und/oder seine Haut könnte buchstäblich dampfen vor der Menge an Abwärme, die es zu bewältigen gilt.

Wenn wir unserem künstlichen Superhelden andererseits Kraft geben würden, die nicht viel größer ist als die eines Menschen - vielleicht höchstens doppelt so stark -, aber eine viel höhere Geschwindigkeit , dann könnte er Schläge austeilen, die mit nicht ~9 m/s landen ( 32 km/h oder 20 mph), aber bei ~63 m/s (227 km/h oder 140 mph). Das ist die 7-fache Geschwindigkeit, aber, weil$e=1/2mv^2$, bedeutet, dass die Schläge die 49 -fache Energie liefern. Das ist der Unterschied zwischen einer Prellung und vielleicht einem gebrochenen Knochen eines menschlichen Kämpfers und einem Schlag unseres Superhelden, der dem anderen fast buchstäblich den Kopf abschlagen könnte.

Um einen so reaktionsschnellen Körper zu kontrollieren, müssten wir unserem Superhelden elektrische Signale mit Lichtgeschwindigkeit geben, anstatt das geradezu träge elektrochemische System, das unsere eigenen Nerven verwenden. Dies würde auch bedeuten, dass unser künstlicher Superheld buchstäblich zusehen könnte, wie ein menschlicher Gegner einen Schlag auf ihn wirft, und dann – bevor dieser Schlag trifft – sechs Schläge zurückwirft, von denen jeder möglicherweise tödlich oder lähmend ist, bevor er schließlich den eingehenden Schlag blockiert und diese Energieübertragung annimmt zu seinem Gegner warf ihn nicht so weit zurück, dass das Blockieren des ersten Schlags völlig unnötig wäre.

Hard Science Obergrenze

Wie hart konntest du schlagen? Nehmen wir an, Sie müssen nur einen Schlag ausführen können und möchten so hart wie möglich zuschlagen.

Nehmen wir an, Sie müssen Ihre Stromversorgung mitbringen (einen Generator können Sie nicht mitschleppen)

Nehmen wir an, Sie haben einen perfekten Generator, der möglichst effektiv Masse in Energie umwandelt.

Nehmen wir an, Sie verbrauchen Ihre gesamte verfügbare Masse und Energie in einem Schlag / einer Explosion. Eine Stoßwelle ist wie ein Schlag, richtig?

Die verfügbare kinetische Energie wäre$m \cdot c^2$; mit dem ein 80 kg schwerer Humanoid zuschlagen würde$7 \cdot 10^{18}$Joule.

Die Zarenbombe (stärkste Atombombe) war$4.2 \cdot 10^{16}$Joule.

Die größte Energie, die eine menschliche Masse abgeben könnte, sind also etwa 100 Zarenbomben. Dies gilt unabhängig davon, welche Materialien Sie verwenden, Ihre begrenzte Masse gibt Ihnen eine begrenzte Leistung.

Auf den ersten Blick scheint diese Obergrenze nutzlos zu sein, aber sie eliminiert einige fiktive Beispiele, wie z. B. Humanoide, die Planeten zerstören oder bewegen. Es gibt einfach nicht genug Masse / Energie in einem Humanoiden, es sei denn, er hat eine äußere Quelle.

Bearbeiten: Wenn die Person viel dichter sein kann, steigt ihre Zerstörungskraft linear mit ihrer Masse.

Laut meinem Link in den Kommentaren zu Hysterical Strength ( https://en.wikipedia.org/wiki/Hysterical_strength ) ist es sehr wahrscheinlich, dass die derzeitige menschliche Form tatsächlich deutlich stärker ist als das, was wir täglich können. Irgendwann in der menschlichen Entwicklung begann das Gehirn aufzuhören und zu denken, anstatt instinktiv zu reagieren, und dies scheint unsere Stärke stark beeinflusst zu haben. Es wird geschätzt, dass Gorillas Pfund für Pfund 6- bis 15-mal so stark sind wie Menschen, was zeigt, wie übertrieben dies tatsächlich ist. Ich denke auch, dass es einen gewissen Kompromiss zwischen Präzision und Stärke gibt, ein Kompromiss, den die Menschheit vor geraumer Zeit eingegangen ist.

Es gibt auch die Berserker-Kriegerlegenden, Krieger, die dafür bekannt sind, dass sie Schaum vor dem Mund haben, während sie an ihren eigenen eisernen Schilden nagen, die in Raserei verfallen konnten (gelesen als das Fallenlassen von Gedanken für Instinkte) und Kraftakte vollbrachten, die weit über alles hinausgingen, was andere Menschen vollbringen könnten . Obwohl diese Kunststücke für den Körper nicht nur schwer auszuführen sind, sondern auch schädlich sind, da der Muskel selbst sich selbst, Sehnen und Knochen auseinanderreißen kann (das zeitliche Gehirn kann erkennen, dass Schäden an seinem Körper kurzfristige Vorteile haben können, aber harte zukünftige Auswirkungen haben und erlauben Sie daher nur den Zugriff auf diese Stärke, wenn kurzfristiger Schaden unabhängig von zukünftigen Erwägungen als würdig erachtet wird).

Die größte Leistung, die ich leicht finden kann, kommt von der hysterischen Kraftverbindung, bei der es 2 weiblichen Kindern (14 und 16 Jahre) gelang, einen Traktor von ihrem Vater zu heben (etwa das 15-fache dessen, was sie normalerweise heben würden). Die meisten Beweise dafür sind anekdotisch, aber sie sind weit verbreitet genug, um der Theorie etwas Anerkennung zu zollen.

Für harte Zahlen verwende ich Kreuzheben mit dem Weltrekord von 500 kg (1100 lbs), obwohl es ohne Ausrüstung 460 kg sind. Der Weltrekord von 500 kg wurde von Eddie Hall aufgestellt, der bei dem Versuch fast gestorben wäre ( http://www.independent.co.uk/sport/general/eddie-hall-nearly-died-after-passing-out-following- neuer-kreuzheben-weltrekord-von-500kg-a7132306.html ) aufgrund von geplatzten Blutgefäßen in seinem Kopf bei diesem Versuch. Es gab auch mehrere Fälle von toten Hebern, die ihren Darm verloren (nicht den Darminhalt, der untere Darm wird buchstäblich aus dem hinteren Ende ausgeworfen). Ich würde dies tatsächlich als die maximale Grenze der menschlichen Form betrachten, nicht wegen der Obergrenze der menschlichen Muskeln, sondern der Obergrenze des Drucks, den unsere inneren Organe und unser Gehirn tatsächlich bewältigen können.

Davon abgesehen, wenn Eddie Hall in eine Raserei oder hysterische Stärke gerät, ist es möglich, dass seine Obergrenze zwischen dem 6- bis 15-fachen seiner normalen Stärke liegt ... ergibt einen Wert von 3000 kg bis 7500 kg als Potenzial. Natürlich, großer Haftungsausschluss, der besagt, dass diese Muskeln in der Lage sein könnten, damit umzugehen, aber die Kräfte, die auf die Organe und das Gehirn des Körpers ausgeübt werden, würden wahrscheinlich weit über das hinausgehen, was wir tolerieren können, was zu einem schnellen Tod führen würde. Interessant, dass hier letztlich unsere inneren Organe der limitierende Faktor sind.

Hinzugefügt - Ich habe angedeutet, dass viel hysterische Stärke anekdotisch ist. Im Fall der 14- und 16-Jährigen: http://www.dailymail.co.uk/news/article-2307079/Teen-sisters-lift-3-000lb-tractor-rescue-father-pinned-underneath.html
Sie schafften es, einen 3000-Pfund-Traktor hoch genug zu heben, damit ihr Vater sich frei bewegen konnte. Es gibt viele Spekulationen, dass etwas anderes dazu beigetragen hat (Traktor war ein bisschen zur Seite geneigt und die Kinder haben ihn einfach gekippt) ... also ist es schwer zu sagen, was hier gemacht wurde, einfach weil "hysterische Kraft" äußerst schwer zu messen ist in einer kontrollierten Umgebung.

Es gibt einige Forscher, die vorgeschlagen haben, dass wir die maximale Kraft einer Person durch Elektroschocks messen könnten (im Grunde mit einem elektrischen Strom, um den Muskel zu übersteuern und ihn zu zwingen, sich so stark wie möglich zusammenzuziehen). Aber ich kann nur die Theorie finden, ich kann nirgendwo finden, dass das Experiment tatsächlich getestet wurde.

Wenn Sie einen Menschen stärken möchten, dessen Körpermechanik die stärksten Teile des menschlichen Körpers sind, sind Knochen, und sie haben eine Zugfestigkeit von etwa 120 MPa.

Quelle

Wenn wir also etwas 1000-mal Stärkeres (Kohlenstoff-Nanoröhren) nehmen würden, könnten wir wahrscheinlich einen humanoiden Körper 1000-mal stärker machen als einen typischen fitten Menschen.

Die Zugfestigkeit von Muskeln variiert zwischen 3 kPa und 70 kPa für verschiedene Arten und Bedingungen ( Quelle ). Irgendwo im Internet gibt es menschliche Muskelkraft, aber aufgrund von Paywalls und mangelnder Geduld sollten wir eine höhere verfügbare Anzahl verwenden. Die Zahl zeigt definitiv, dass die Muskulatur deutlich verbessert werden konnte.

Wenn wir also die Proportionen verschieben, indem wir Knochen dicker und Muskeln aus den gleichen 120-GPa-Materialien machen, können wir definitiv mehr als 1000-fache Verbesserungen erwarten. Meiner Meinung nach könnte 10000 Mal eine gute Schätzung sein.

Wenn Sie also die menschliche Biomechanik 10'000 stärker halten möchten, ist dies eine gute Zahl, jedoch ist dies nicht die Grenze zur menschenähnlichen Form.

Harte wissenschaftliche Untergrenze

Was könntest du heute machen?

Als untere Grenze, was man mit heute verfügbaren Materialien machen könnte. Hydrolics sind viel stärker als Muskeln. Machen wir also einen Humanoiden mit einem Torso, der nur ein großer hydraulischer Kolben ist, der nach oben und unten teleskopiert. Der Roboter hebt mit seinem Oberkörper. Auf der Wiki-Seite sehen wir, dass Industriehydraulik Systeme mit 6000 psi haben kann, aber 2.000 psi sind häufiger. Wiki zur Hydraulik

Die Fläche des Kolbens wäre die Querschnittsfläche einer menschlichen Taille/eines menschlichen Magens. Nehmen wir an, ein dicker Mensch hat einen kreisförmigen Zylinder mit einer Taille von 40 Zoll, einem Radius von 20 und einer Fläche von 1.256 Zoll ^2

Dies ergibt eine maximale Hubkraft von 3.768.000 7.536.000 Pfund.

Mit der heutigen Technologie könnten wir also einen hydraulischen Kolben bauen, der wie ein Mensch geformt ist und 1.800 bis 3.600 Tonnen heben könnte

Dies setzt voraus, dass wir den Rest des Volumens für die Reserven von Pumpe, Kraftstoff und Hydraulikflüssigkeit verwenden, aber es erscheint vernünftig. Wir könnten verkleinerte Versionen für die anderen Gliedmaßen machen.

Eine faire Warnung, dass ein Humanoid, der versucht, so viel Gewicht zu heben, etwa 2.000 psi auf den Boden darunter ausüben würde, was die meisten Böden und viele Straßen zerstören würde.

Bearbeiten: Dank an RonJohn für die Erwähnung dieser Idee, bevor ich daran dachte.

Sie können so stark sein, wie Sie wollen, wenn Sie die Infrastruktur haben, um dies zu unterstützen. Wenn Sie also die Knochen robuster machen, können Sie die Kraft bis an die Grenzen der Muskelkraft steigern, was bei anderen Primaten viel mehr ist als bei Menschen.

Ich denke, Sie könnten Ihre Leute vernünftigerweise 10-mal stärker machen, ohne gegen Gesetze zu verstoßen, mit dickeren Knochen oder einer anderen Zusammensetzung der Knochen, die sie stärker und gorillaartige Muskeln machen.