Nový model zkoumá vysokorychlostní pohyb u gepardů a přibližuje nás k robotům s nohama

Gepardi jsou nejrychlejší suchozemští savci, ale stále přesně nevíme proč. Máme přehled o tom, jak, například použití „cválající“ chůze při jejich nejvyšší rychlosti, 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 je zodpovědný za to, že umožňuje gepardů dosáhnout vysokých rychlostí, ale jak přesně to závisí na pozemních silách a konkrétních podmínkách. Gepardi také demonstrují pozoruhodný pohyb páteře během letu, když se střídají mezi ohýbáním a protahováním ve shromážděném a prodlouženém režimu, což umožňuje vysokorychlostní lokomoci. Přes všechny tyto znalosti stále příliš nerozumíme dynamice odpovědné za tyto schopnosti.

Fáze běhu u zvířat

Dr. Tomoya Kamimura z Nagoya Institute of Technology, Japonsko, se specializuje na inteligentní mechaniku a lokomoci. 

„Všechny běh zvířat tvoří fázi letu a fázi postoje, přičemž každou fázi řídí jiná dynamika,“ vysvětluje Dr. Kamimura.

Fáze letu zahrnuje všechna chodidla ve vzduchu a těžiště celého těla vykazující balistický pohyb. Během fáze postoje jsou reakční síly země absorbovány tělem přes chodidla.

„Vzhledem k tak složité a hybridní dynamice nás mohou pozorování dostat tak daleko, abychom odhalili mechanismy, které jsou základem dynamiky běhu zvířat,“ pokračuje Dr. Kamimura.

Počítačové modelování přináší pohled

Aby bylo možné lépe porozumět dynamické perspektivě zvířecí chůze a pohybu páteře během běhu, spoléhali vědci na počítačové modelování s jednoduchými modely, které bylo mimořádně úspěšné. 

Vzhledem k tomu ještě existuje mnoho studií, které by zkoumaly typy letu a pohybu páteře, ke kterému dochází během cvalu, takže výzkumný tým provedl studii publikovanou v Vědecké zprávy, spoléhající na jednoduchý model napodobující vertikální pohyb a pohyb páteře.

Studie týmu zahrnovala dvourozměrný model sestávající ze dvou tuhých těles a dvou bezhmotných tyčí, které představovaly nohy geparda. Těla byla spojena kloubem, který kopíroval ohybový pohyb páteře, a torzní pružinou. Tým také přidělil identické dynamické role předním a zadním nohám. 

Tým vyřešil zjednodušené pohybové rovnice, kterými se model řídil, což vedlo k šesti možným periodickým řešením, z nichž dvě připomínaly dva různé typy letu, jako gepard cválající, a čtyři připomínaly pouze jeden typ letu, na rozdíl od gepardů. Ty byly založeny na kritériích souvisejících s pozemními reakčními silami, která byla poskytnuta řešeními. 

Kritéria byla poté ověřena naměřenými údaji o gepardech a tým zjistil, že gepard cválající v reálném světě splňuje kritérium pro dva typy letu ohnutím páteře.

To vše vedlo k tomu, že vědci získali nový pohled na rychlost gepardů. Periodická řešení také odhalila, že cval koně zahrnuje shromážděný let v důsledku omezeného pohybu páteře, což znamená, že extrémně vysoké rychlosti dosahované gepardy jsou výsledkem dalšího prodlouženého letu a ohýbání páteře. 

"Zatímco mechanismus, který je základem tohoto rozdílu v typech letu mezi živočišnými druhy, zůstává stále nejasný, naše zjištění rozšiřují porozumění dynamickým mechanismům, které jsou základem vysokorychlostní lokomoce u gepardů. Kromě toho je lze v budoucnu aplikovat na mechanický a řídicí design robotů s nohama,“ říká Dr. Kamimura.