Nová model zkoumá rychlé pohyby u gepardů a přibližuje nás k robotům s nohama

Gepardi jsou nejrychlejší suchozemští savci, ale stále přesně nevíme, proč. Máme přehled o tom, jak to dělají, jako je použití „galopujícího“ kroku při nejvyšších rychlostech, a mají dva různé typy „letu“. První zahrnuje jejich přední a zadní končetiny pod tělem a nazývá se „shromážděný let“, zatímco druhý zahrnuje jejich přední a zadní končetiny natažené a nazývá se „prodloužený let“.

Prodloužený let umožňuje gepardům dosáhnout vysokých rychlostí, ale přesně jak rychle, závisí na silách působících na zem a specifických podmínkách. Gepardi také prokazují pozoruhodné pohyby páteře během letu, protože střídají mezi ohýbáním a natahováním v shromážděném a prodlouženém režimu, a to umožňuje vysokorychlostní lokomoci. Přes všechny tyto znalosti stále mnoho nevíme o dynamice, která je zodpovědná za tyto schopnosti.

Fáze běhu u zvířat

Dr. Tomoya Kamimura z Nagoyjského technologického institutu v Japonsku se specializuje na inteligentní mechaniku a lokomoci.

„Všechny zvíře běhají ve fázi letu a fázi postoje, s odlišnou dynamikou pro každou fázi,“ vysvětluje Dr. Kamimura.

Fáze letu zahrnuje všechny nohy ve vzduchu a těžiště celého těla vykazuje balistický pohyb. Během fáze postoje jsou síly působící na zem absorbovány tělem prostřednictvím nohou.

„Due to takové komplexní a hybridní dynamiky, pozorování nás může pouze do jisté míry přivést k odhalení mechanismů, které leží v základu běhu zvířat,“ pokračuje Dr. Kamimura.

Počítačové modelování přináší vhled

Abychom získali lepší pochopení dynamického pohledu na zvíře běh a pohyb páteře během běhu, výzkumníci se spoléhali na počítačové modelování se简单nými modely, a bylo to extrémně úspěšné.

S tím řečeno, dosud nebylo provedeno mnoho studií, které zkoumají typy letu a pohyb páteře, ke kterým dochází během galopování, a proto se výzkumný tým rozhodl provést studii publikovanou v Scientific Reports, která spoléhala na jednoduchý model imitující vertikální a páteřní pohyb.

Studie týmu zahrnovala dvourozměrný model skládající se ze dvou tuhých těles a dvou beztížných tyčí, které reprezentovaly gepardovy nohy. Těla byla spojena kloubem, který replikoval ohýbání páteře, a torzní pružinou. Tým také přiřadil identické dynamické role předním a zadním nohám.

Tým vyřešil zjednodušené rovnice pohybu, které řídily model, což vedlo k šesti možným periodickým řešením, z nichž dvě připomínaly dva různé typy letu, jako je gepardův galop, a čtyři připomínaly pouze jeden typ letu, na rozdíl od gepardů. Tyto byly založeny na kritériích souvisejících se silami působícími na zem, které byly poskytnuty řešeními.

Kritéria byla poté ověřena pomocí měřených dat gepardů, a tým zjistil, že gepardův galop ve skutečném světě splňoval kritérium pro dva typy letu prostřednictvím ohýbání páteře.

To vše vedlo k tomu, že výzkumníci získali nové poznatky o rychlosti gepardů. Periodická řešení také odhalila, že galopování koní zahrnuje shromážděný let jako výsledek omezeného pohybu páteře, což znamená, že extrémně vysoké rychlosti, kterých dosahují gepardi, jsou výsledkem dalšího prodlouženého letu a ohýbání páteře.

„Zatímco mechanismus, který leží v základu tohoto rozdílu v typech letu mezi druhy zvířat, zůstává stále nejasný, naše zjištění rozšiřují naše pochopení dynamických mechanismů, které leží v základu vysokorychlostní lokomoce u gepardů. Kromě toho mohou být aplikovány na mechanický a řídicí design robotů s nohama v budoucnu,“ říká Dr. Kamimura.