Neues Modell erforscht Hochgeschwindigkeitsbewegungen bei Geparden und bringt uns leggeden Robotern näher

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

Der erweiterte Flug ist dafür verantwortlich, dass Geparden hohe Geschwindigkeiten erreichen können, aber genau wie schnell hängt von den Bodenkräften und bestimmten Bedingungen ab. Geparden zeigen auch eine bemerkenswerte Bewegung ihrer Wirbelsäule während des Flugs, da sie zwischen Beugung und Streckung in gesammelten und erweiterten Modus wechseln, und dies ermöglicht eine Hochgeschwindigkeitslokomotion. Trotz all dieser Kenntnisse verstehen wir immer noch nicht viel über die Dynamik, die für diese Fähigkeiten verantwortlich ist.

Laufphasen bei Tieren

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

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

Die Flugphase umfasst alle Füße, die in der Luft sind, und das Schwerpunkt des gesamten Körpers zeigt ballistische Bewegung. Während der Stützphase werden die Bodenreaktionskräfte durch die Füße vom Körper aufgenommen.

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

Computer-Modellierung bringt Erkenntnisse

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

Allerdings gab es bisher noch nicht viele Studien, die die Arten von Flug und Wirbelsäulenbewegung, die während des Galoppierens stattfinden, erforschen, so dass das Forschungsteam eine Studie durchführte, die in Scientific Reports, basierend auf einem einfachen Modell, das 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 Beugung 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, und dies führte zu sechs möglichen periodischen Lösungen, 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 Geparden-Daten verifiziert, und das Team fand heraus, dass Geparden-Galoppieren in der realen Welt das Kriterium für zwei Flugtypen durch Wirbelsäulenbeugung erfüllte.

All dies führte dazu, dass die Forscher neue Erkenntnisse über die Geschwindigkeit von Geparden gewannen. Die periodischen Lösungen zeigten auch, dass Pferdegaloppieren einen gesammelten Flug als Ergebnis einer eingeschränkten Wirbelsäulenbewegung beinhaltet, was bedeutet, dass die extrem hohen Geschwindigkeiten, die Geparden erreichen, das Ergebnis eines zusätzlichen erweiterten Flugs und einer Wirbelsäulenbeugung sind.

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