Ny model udforsker højhastighedsbevægelse hos geparder og bringer os tættere på benbaserede robotter

Geparder er de hurtigste landlevende pattedyr, men vi ved stadig ikke nøjagtig hvorfor. Vi har indsigt i, hvordan, såsom brugen af en “galoperende” gangart ved deres hurtigste hastigheder, og de har to forskellige typer “flyvning”. Den første involverer deres forben og bagben under deres krop og kaldes “sammenfoldet flyvning”, mens den anden involverer deres forben og bagben strakt ud og kaldes “udstrakt flyvning”.

Den udstrakte flyvning er ansvarlig for at enable geparder at nå høje hastigheder, men nøjagtig hvor hurtigt afhænger af jordkræfter og specifikke betingelser. Geparder viser også bemærkelsesværdig rygsøjlebevægelse under flyvning, da de skifter mellem at bøje og strække i samlinger og udstrakte modi, og dette tillader højhastighedslokation. Trods alt dette kendskab forstår vi stadig ikke meget om dynamikken, der er ansvarlig for disse evner.

Løbe faser i dyr

Dr. Tomoya Kamimura på Nagoya Institute of Technology, Japan, specialiserer sig i intelligent mekanik og lokation. 

“Alle dyrs løb består af en flyvningsfase og en ståfase, med forskellige dynamikker, der regulerer hver fase,” forklarer Dr. Kamimura.

Flyvningsfasen involverer alle fødder, der er i luften, og kroppens center af masse viser ballistisk bevægelse. Under ståfasen absorberes jordreaktionskræfterne af kroppen gennem fødderne.

“På grund af sådanne komplekse og hybrid dynamikker kan observationer kun bringe os så langt i at afklæde mekanismerne under dyrs løbdynamik,” fortsætter Dr. Kamimura.

Computermodellering bringer indsigt

For at få en bedre forståelse af den dynamiske perspektiv på dyrs gangart og rygsøjlebevægelse under løb har forskerne afhængigt af computermodellering med simple modeller, og det har været ekstremt succesfuldt. 

Med det sagt har der endnu ikke været mange studier, der udforsker de typer af flyvning og rygsøjlebevægelse, der finder sted under galoperen, så forskningsholdet påtog sig en studie offentliggjort i Scientific Reports, med en simpel model, der efterligner vertikal og rygsøjlebevægelse.

Holdets studie involverede en todimensionel model bestående af to stive kroppe og to masseløse stænger, der repræsenterede gepardens ben. Kroppene var forbundet med en led, der replicerede rygsøjleens bøjningsbevægelse, og en torsionsfjeder. Holdet tildelte også identiske dynamiske roller til for- og bagbenene. 

Holdet løste de simplificerede ligninger for bevægelse, der regulerede modellen, hvilket ledte til seks mulige periodiske løsninger, hvoraf to lignede to forskellige flyvningsarter, som en gepard galoperer, og fire lignede kun en flyvningsart, som ikke ligner geparder. Disse var baseret på kriterierne i forhold til jordreaktionskræfterne, som blev leveret af løsningerne. 

Kriteriet blev herefter verificeret med målte geparddata, og holdet fandt, at gepardens galoperen i den virkelige verden opfyldte kriteriet for to flyvningsarter gennem rygsøjlebøjning.

Alt dette ledte til, at forskerne fik frisk indsigt i gepardens hastighed. De periodiske løsninger afslørede også, at hestens galoperen involverer samlinger flyvning som resultat af begrænset rygsøjlebevægelse, hvilket betyder, at de ekstremt høje hastigheder, der opnås af geparder, er et resultat af yderligere udstrakt flyvning og rygsøjlebøjning. 

“Selvom mekanismen, der ligger til grund for denne forskel i flyvningsarter mellem dyrearter, stadig forbliver uklar, udvider vores fund forståelsen af de dynamiske mekanismer, der ligger til grund for højhastighedslokation hos geparder. Desuden kan de anvendes på den mekaniske og kontrol design af benbaserede robotter i fremtiden,” siger Dr. Kamimura.