Neues Modell erforscht schnelles Bewegen bei Geparden und bringt uns leggeden Robotern näher

Geparden sind die schnellsten Landtiere, aber wir wissen immer noch nicht genau, warum. Wir haben Einblick in die Art und Weise, wie sie sich bewegen, wie die Verwendung eines “galoppierenden” Gangs bei ihren höchsten Geschwindigkeiten, und sie haben zwei verschiedene Arten von “Flug”. Die erste beinhaltet ihre Vorder- und Hintergliedmaßen unter ihrem Körper und wird “gesammelter Flug” genannt, während die andere ihre Vorder- und Hintergliedmaßen ausgestreckt beinhaltet und “erweiterter Flug” genannt wird.

Der erweiterte Flug ist dafür verantwortlich, dass Geparden hohe Geschwindigkeiten erreichen können, aber genau wie schnell hängt von den Bodenkräften und spezifischen Bedingungen ab. Geparden zeigen auch eine bemerkenswerte Bewegung ihrer Wirbelsäule während des Flugs, da sie zwischen dem Beugen und Strecken in gesammelten und erweiterten Modi wechseln, und dies ermöglicht eine schnelle Fortbewegung. Trotz all dieses Wissens verstehen wir immer noch nicht viel über die Dynamik, die für diese Fähigkeiten verantwortlich ist.

Laufphasen bei Tieren

Dr. Tomoya Kamimura am Nagoya Institute of Technology, Japan, spezialisiert sich auf intelligente Mechanik und Fortbewegung.

“Alle Tierläufe bestehen aus einer Flugphase und einer Standphase, mit unterschiedlichen Dynamiken, die jede Phase regieren”, erklärt Dr. Kamimura.

Die Flugphase beinhaltet alle Füße in der Luft und das Schwerpunkt des gesamten Körpers zeigt ballistische Bewegung. Während der Standphase werden die Bodenreaktionskräfte durch den Körper über die Füße aufgenommen.

“Aufgrund dieser komplexen und hybriden Dynamik können Beobachtungen uns nur bis zu einem bestimmten Punkt bei der Aufdeckung der Mechanismen, die der Laufdynamik von Tieren zugrunde liegen, bringen”, fährt Dr. Kamimura fort.

Computer-Modellierung bringt Erkenntnisse

Um ein besseres Verständnis für die dynamische Perspektive der Tiergangart und der Wirbelsäulenbewegung während des Laufens zu gewinnen, haben Forscher auf Computer-Modellierung mit einfachen Modellen zurückgegriffen, und dies war sehr erfolgreich.

Mit dem gesagten haben es jedoch noch nicht viele Studien gegeben, die die Arten von Flug und Wirbelsäulenbewegung, die während des Galoppierens stattfinden, erforschen, so dass das Forschungsteam eine Studie durchführte, die in Scientific Reports, veröffentlicht wurde und auf einem einfachen Modell basiert, das die vertikale und Wirbelsäulenbewegung nachahmt.

Die Studie des Teams umfasste ein zweidimensionales Modell, das aus zwei starren Körpern und zwei masselosen Stangen bestand, die die Beine des Geparden darstellten. Die Körper waren durch ein Gelenk verbunden, das die Biegebewegung der Wirbelsäule nachahmte, und einer Torsionsfeder. Das Team wies auch identische dynamische Rollen den Vorder- und Hinterbeinen zu.

Das Team löste die vereinfachten Bewegungsgleichungen, die das Modell regierten, was zu sechs möglichen periodischen Lösungen führte, von denen zwei zwei verschiedene Flugtypen ähnelten, wie ein Gepard, der galoppiert, und vier nur einen Flugtyp ähnelten, unähnlich Geparden. Diese basierten auf den Kriterien im Zusammenhang mit den Bodenreaktionskräften, die durch die Lösungen bereitgestellt wurden.

Die Kriterien wurden dann mit gemessenen Gepardendaten verifiziert, und das Team fand heraus, dass Geparden, die in der realen Welt galoppieren, das Kriterium für zwei Flugtypen durch Wirbelsäulenbiegung erfüllen.

All dies führte dazu, dass die Forscher neue Erkenntnisse über die Geschwindigkeit von Geparden gewannen. Die periodischen Lösungen zeigten auch, dass das Galoppieren von Pferden durch den eingeschränkten Wirbelsäulenbewegung den gesammelten Flug zur Folge hat, was bedeutet, dass die extrem hohen Geschwindigkeiten, die Geparden erreichen, das Ergebnis des zusätzlichen erweiterten Flugs und der Wirbelsäulenbiegung sind.

“Während der Mechanismus, der diesen Unterschied in Flugtypen zwischen Tierarten zugrunde liegt, immer noch unklar bleibt, erweitern unsere Ergebnisse das Verständnis der dynamischen Mechanismen, die der schnellen Fortbewegung von Geparden zugrunde liegen. Darüber hinaus können sie auf die mechanische und Steuerungs-Design von legged Robotern in der Zukunft angewendet werden”, sagt Dr. Kamimura.