Νέο Μοντέλο Εξερευνά την Ταχεία Κίνηση στις Γατόπαρδους, Μας Φέρνει Κοντά στους Ρομπότ με Πόδια

Οι γατόπαρδοι είναι τα γρηγορότερα χερσαία θηλαστικά, αλλά ακόμη δεν γνωρίζουμε ακριβώς το γιατί. Έχουμε έμπνευση για το πώς, όπως η χρήση ενός “γαλόπ” βήματος στις ταχύτερες ταχύτητες, και έχουν δύο διαφορετικά είδη “πτήσης”. Το πρώτο αφορά τα εμπρόσθια και οπίσθια άκρα κάτω από το σώμα και ονομάζεται “συναγμένη πτήση”, ενώ το άλλο αφορά τα εμπρόσθια και οπίσθια άκρα εκτεταμένα και ονομάζεται “εκτεταμένη πτήση”.

Η εκτεταμένη πτήση είναι υπεύθυνη για το να επιτρέπει στις γατόπαρδους να φθάσουν σε υψηλές ταχύτητες, αλλά το πόσο γρήγορα εξαρτάται από τις δυνάμεις του εδάφους και τις συγκεκριμένες συνθήκες. Οι γατόπαρδοι επίσης εμφανίζουν αξιοσημείωτη κίνηση της σπονδυλικής στήλης κατά την πτήση, καθώς εναλλάσσονται μεταξύ της σφίξεως και της εκτάσεως σε συναγμένες και εκτεταμένες κατάστασεις, και αυτό επιτρέπει την ταχεία κίνηση. Παρά όλα αυτά τα γνώση, ακόμη δεν κατανοούμε πολύ για τη δυναμική που είναι υπεύθυνη για αυτές τις ικανότητες.

Φάσεις Τρέχουσας σε Ζώα

Ο Δρ. Tomoya Kamimura στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Ναγκόγια, Ιαπωνία, ειδικεύεται στην έξυπνη μηχανική και κίνηση.

“Όλη η τρέχουσα των ζώων αποτελείται από μια φάση πτήσης και μια φάση στάσης, με διαφορετικές δυναμικές που διέπουν κάθε φάση”, εξηγεί ο Δρ. Kamimura.

Η φάση πτήσης αφορά όλα τα πόδια να είναι στον αέρα και το κέντρο μάζας του ολόκληρου σώματος να εκτελεί βολιστική κίνηση. Κατά τη φάση στάσης, οι δυνάμεις αντίδρασης του εδάφους απορροφώνται από το σώμα μέσω των ποδιών.

“Λόγω τέτοιων σύνθετων και υβριδικών δυναμικών, οι παρατηρήσεις μπορούν να μας οδηγήσουν μόνο μέχρι ένα σημείο στην αποκάλυψη των μηχανισμών που υποκείονται στη δυναμική τρέχουσας των ζώων”, συνεχίζει ο Δρ. Kamimura.

Η Υπολογιστική Μοντελοποίηση Παρέχει Εμπνεύσεις

Προκειμένου να αποκτήσουμε μια καλύτερη κατανόηση της δυναμικής προοπτικής της κίνησης των ζώων και της κίνησης της σπονδυλικής στήλης κατά τη διάρκεια της τρέχουσας, οι ερευνητές έχουν βασιστεί σε υπολογιστική μοντελοποίηση με απλές μοντέλα, και έχει αποδειχθεί εξαιρετικά επιτυχημένη.

Με αυτό που έχει कहθεί, δεν έχουν υπάρξει πολλές μελέτες που εξερευνούν τα είδη πτήσης και την κίνηση της σπονδυλικής στήλης που λαμβάνει χώρα κατά τη διάρκεια του γαλόπ, οπότε η ερευνητική ομάδα ανέλαβε μια μελέτη που δημοσιεύθηκε στο Scientific Reports, βασισμένη σε ένα απλό μοντέλο που μιμείται την κατακόρυφη και την κίνηση της σπονδυλικής στήλης.

Η μελέτη της ομάδας περιελάμβανε ένα двισδιάστατο μοντέλο που αποτελούνταν από δύο στερεά σώματα και δύο αβαρή بار, τα οποία αντιπροσώπευαν τα πόδια της γατόπαρδου. Τα σώματα ήταν συνδεδεμένα με ένα σημείο, το οποίο αναπαράγινε την κάμψη της σπονδυλικής στήλης, και ένα σπείρωμα. Η ομάδα έassigned επίσης ταυτόσημες δυναμικές ρόλους στα εμπρόσθια και οπίσθια πόδια.

Η ομάδα έλυσε τις απλοποιημένες εξισώσεις κίνησης που διέπουν το μοντέλο, το οποίο οδήγησε σε έξι πιθανές περιοδικές λύσεις, δύο από τις οποίες έμοιαζαν με δύο διαφορετικά είδη πτήσης, όπως μια γατόπαρδος που τρέχει, και τέσσερις έμοιαζαν με μόνο ένα είδος πτήσης, αντίθετα με τις γατόπαρδους. Αυτές βασίζονταν στα κριτήρια που σχετίζονται με τις δυνάμεις αντίδρασης του εδάφους, τα οποία παρέχονταν από τις λύσεις.

Το κριτήριο επικυρώθηκε με μετρημένα δεδομένα γατόπαρδου, και η ομάδα βρήκε ότι η γατόπαρδος που τρέχει στον πραγματικό κόσμο ικανοποιούσε το κριτήριο για δύο είδη πτήσης μέσω της κάμψης της σπονδυλικής στήλης.

Όλα αυτά οδήγησαν τους ερευνητές να αποκτήσουν νέα έμπνευση για την ταχύτητα των γατόπαρδων. Οι περιοδικές λύσεις επίσης αποκάλυψαν ότι η γατόπαρδος που τρέχει εμπλέκει συναγμένη πτήση ως αποτέλεσμα της περιορισμένης κίνησης της σπονδυλικής στήλης, που σημαίνει ότι οι εξαιρετικά υψηλές ταχύτητες που επιτυγχάνονται από τις γατόπαρδους είναι αποτέλεσμα της πρόσθετης εκτεταμένης πτήσης και της κάμψης της σπονδυλικής στήλης.

“Ενώ ο μηχανισμός που υποκείται σε αυτή τη διαφορά των ειδών πτήσης μεταξύ των ειδών των ζώων παραμένει ακόμη ασαφής, οι ευρήματές μας επεκτείνουν την κατανόηση των δυναμικών μηχανισμών που υποκείονται στην ταχεία κίνηση των γατόπαρδων. Επιπλέον, μπορούν να εφαρμοστούν στη μηχανική και τον έλεγχο του σχεδιασμού των ρομπότ με πόδια στο μέλλον”, λέει ο Δρ. Kamimura.