نموذج جديد يفحص الحركة السريعة في الفهود، ويقربنا من روبوتات الساقين

الفهود هي أسرع الثدييات على الأرض، ولكننا لا تزال لا نعرف بالضبط لماذا. لدينا نظرة على كيفية ذلك، مثل استخدام مشية “الجري” عند أسرع سرعاتهم، ولديهم نوعان مختلفان من “الطيران”. الأول يتضمن أطرافهم الأمامية والخلفية تحت جسدهم ويسمى “طيران مجتمع”، بينما يتضمن الآخر أطرافهم الأمامية والخلفية الممتدة ويسمى “طيران ممتد”.

الطيران الممتد هو المسؤول عن تمكين الفهود من الوصول إلى سرعات عالية، ولكن السرعة الفعلية تعتمد على قوى الأرض والظروف المحددة. الفهود أيضًا تظهر حركة ظهر ملحوظة خلال الطيران حيث يتناوبون بين الانحناء والتمديد في الوضعين المجتمع والممتد، وهذا يسمح بالحركة السريعة. على الرغم من كل هذه المعرفة، لا تزال لدينا فهم قليل جدًا عن الديناميكيات المسؤولة عن هذه القدرات.

مراحل الجري في الحيوانات

الدكتور تومويا كاميمورا في معهد ناغويا للتكنولوجيا في اليابان، متخصص في الميكانيكا الذكية والحركة.

“تتكون جميع مراحل الجري في الحيوانات من مرحلة طيران ومرحلة وقوف، مع سلوك ديناميكي مختلف يحكم كل مرحلة”، يشرح الدكتور كاميمورا.

مرحلة الطيران تتضمن جميع الأقدام في الهواء ومركز الكتلة للجسم كله يظهر حركة باليستية. خلال مرحلة الوقوف، يتم امتصاص قوى رد الفعل الأرضية بواسطة الجسم من خلال الأقدام.

“نظرًا لتعقيد هذه الديناميكيات الهجينة، لا يمكن للملاحظات أن تأخذنا بعيدًا في كشف آليات الجري في الحيوانات”، يواصل الدكتور كاميمورا.

النمذجة بالكمبيوتر توفر رؤية

为了获得 فهم أفضل للperspective الديناميكي لمشي الحيوان وحركة العمود الفقري خلال الجري، اعتمد الباحثون على النمذجة بالكمبيوتر باستخدام نماذج بسيطة، وقد كان ذلك ناجحًا جدًا.

مع ذلك، لم تكن هناك دراسات كثيرة لاستكشاف أنواع الطيران وحركة العمود الفقري التي تحدث خلال الجري، لذلك قام فريق البحث بدراسة نُشرت في Scientific Reports, متوكلين على نموذج بسيط ي模ит الحركة الرأسية وحركة العمود الفقري.

تضمن دراسة الفريق نموذجًا ثنائي الأبعاد يتكون من جسمين صلبين وبارين خفيفين، يمثلان ساقي الفهد. كانت الأجسام متصلة بمفصل، يكرر حركة الانحناء للعمود الفقري، ومثبط توجيهي. كما أسناد الفريق أدوارًا ديناميكية متطابقة للأرجل الأمامية والخلفية.

قام الفريق بحل المعادلات المبسطة للحركة التي تحكم النموذج، مما أدى إلى ست حلول دورية ممكنة، اثنان منها يشبهان نوعين مختلفين من الطيران، مثل الفهد الذي يجرى، وأربعة يشبهان نوعًا واحدًا من الطيران، على عكس الفهود. كانت هذه الحلول قائمة على معايير متعلقة بقوى رد الفعل الأرضية، والتي قدمتها الحلول.

ثم تم التحقق من المعايير مع بيانات الفهود المقاسة، ووجد الفريق أن جري الفهود في العالم الحقيقي ي满ي معيارًا لنوعين من الطيران من خلال انحناء العمود الفقري.

كل هذا أدى إلى حصول الباحثين على رؤية جديدة في سرعة الفهود. كشفت الحلول الدورية أيضًا أن جري الخيل يتضمن طيرانًا مجتمعًا نتيجة لحركة العمود الفقري المحدودة، مما يعني أن السرعات العالية جدًا التي يحققها الفهود هي نتيجة لطيران ممتد إضافي وحركة انحناء للعمود الفقري.

“في حين أن الآلية الكامنة وراء هذا الفرق في أنواع الطيران بين أنواع الحيوانات لا تزال غير واضحة، فإن نتائجنا توسع فهم الآليات الديناميكية الكامنة وراء الحركة السريعة في الفهود. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تطبيقها على التصميم الميكانيكي والتحكم في روبوتات الساقين في المستقبل”، يقول الدكتور كاميمورا.