Nová 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 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 je zodpovědný za umožnění 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, když střídají flexi a protažení v shromážděném a prodlouženém režimu, a to umožňuje vysokorychlostní lokomoci. Přes všechny tyto znalosti stále nechápeme mnoho o dynamice, která je za těmito schopnostmi zodpovědná.

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 odlišnými dynamikami, které řídí 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 dostat pouze tak daleko v odhalování mechanismů, které leží v základu běhu zvířat,“ pokračuje Dr. Kamimura.

Počítačové modelování přináší vhled

Abyste získali lepší pochopení dynamického pohledu na chůzi zvířat a pohyb páteře během běhu, výzkumníci se spoléhali na počítačové modelování se简单ými modely, a to bylo extrémně úspěšné.

S tím řečeno, dosud nebylo mnoho studií, které by prozkoumaly typy letu a pohyb páteře, ke kterému dochází během galopování, a tak výzkumný tým provedl studii zveřejněnou v Scientific Reports, která spoléhala na jednoduchý model, který emuloval vertikální a páteřní pohyb.

Studie týmu zahrnovala dvourozměrný model skládající se ze dvou tuhých těles a dvou bezhmotných 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 naměřených dat o gepardech 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 nový vhled do rychlosti gepardů. Periodická řešení také ukázala, že galopování koní zahrnuje shromážděný let jako výsledek omezeného pohybu páteře, což znamená, že extrémně vysoké rychlosti, kterých gepardi dosahují, jsou výsledkem dalšího prodlouženého letu a ohýbání páteře.

“Zatímco mechanismus, který leží za touto odlišností v typech letu mezi druhy zvířat, stále zůstává nejasný, naše nálezy rozšiřují pochopení dynamických mechanismů, které leží v základu vysokorychlostní lokomoce u gepardů. Kromě toho je možné je aplikovat na mechanický a řídicí design robotů s nohama v budoucnu,” říká Dr. Kamimura.