Νέο Μοντέλο Εξερευνά την Ταχεία Κίνηση στα Γατόπαρδους, Φέρνοντάς Μας Κοντά σε Ρομπότ με Πόδια

Οι γατόπαρδοι είναι τα ταχύτερα θηλαστικά της ξηράς, αλλά ακόμη δεν γνωρίζουμε ακριβώς το γιατί. Έχουμε έμπειρη γνώση για το πώς, όπως η χρήση ενός “γαλόπ” βήματος στις ταχύτερες ταχύτητες, και έχουν δύο διαφορετικά είδη “πτήσης”. Η πρώτη αφορά τα μπροστινά και πισινά άκρα κάτω από το σώμα και ονομάζεται “συνεγερμένη πτήση”, ενώ η άλλη αφορά τα μπροστινά και πισινά άκρα εκτεταμένα και ονομάζεται “εκτεταμένη πτήση”.

Η εκτεταμένη πτήση είναι υπεύθυνη για την ενεργοποίηση των γατόπαρδων να φθάσουν σε υψηλές ταχύτητες, αλλά ακριβώς πόσο γρήγορα εξαρτάται από τις δυνάμεις του εδάφους και συγκεκριμένες συνθήκες. Οι γατόπαρδοι επίσης παρουσιάζουν αξιοσημείωτη κίνηση της σπονδυλικής στήλης κατά την πτήση, καθώς εναλλάσσονται μεταξύ της σφίξεως και της εκτάσεως σε συνεγερμένες και εκτεταμένες λειτουργίες, και αυτό επιτρέπει την ταχεία κίνηση.尽管 όλα αυτά τα γνώση, ακόμη δεν κατανοούμε πολύ για τις δυναμικές που ευθύνονται για αυτές τις ικανότητες.

Φάσεις Τρέξιματος στα Ζώα

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

“Όλα τα ζώα τρέχουν αποτελούν 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 σώματος να παρουσιάζει βαλιστική 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 μόνο να μας οδηγήσουν μέχρι ένα σημείο στην αποκάλυψη των μηχανισμών που υποκείονται στη δυναμική του τρέξιματος των ζώων”, συνεχίζει ο Δρ. Kamimura.

Η Υπολογιστική Μοντελοποίηση Παρέχει Εμπειρία

Για να αποκτήσουμε μια καλύτερη κατανόηση της δυναμικής προοπτικής της κίνησης των ζώων και της κίνησης της σπονδυλικής στήλης κατά το τρέξιμο, οι ερευνητές έχουν βασιστεί στην υπολογιστική μοντελοποίηση με απλές μοντέλα, και έχει αποδειχθεί εξαιρετικά επιτυχημένη.

Με αυτό που έχει ειπωθεί, δεν υπάρχουν ακόμη πολλές μελέτες που εξερευνούν τους τύπους πτήσης και την κίνηση της σπονδυλικής στήλης που λαμβάνει χώρα κατά το 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 αφορούσε ένα διδιάστατο μοντέλο που αποτελούνταν από δύο στερεά σώματα και δύο αβαρή μπάρες, που αντιπροσώπευαν τα πόδια του γατόπαρδου. Τα σώματα ήταν συνδεδεμένα με ένα σημείο, το οποίο αντέγραφε την κάμψη της σπονδυλικής στήλης, και ένα σπείρωμα. Η ομάδα επίσης ανέθεσε ίδιες δυναμικές ρόλους στα μπροστινά και πισινά πόδια.

Η ομάδα έλυσε τις απλοποιημένες εξισώσεις κίνησης που διέπουν το μοντέλο, που οδήγησε σε έξι πιθανές περιοδικές λύσεις, δύο από τις οποίες έμοιαζαν με δύο διαφορετικούς τύπους πτήσης, όπως ο γατόπαρδος που γαλόπ, και τέσσερις έμοιαζαν μόνο με einen τύπο πτήσης, αντίθετα με τους γατόπαρδους. Αυτές βασίζονταν στα κριτήρια σχετικά με τις δυνάμεις αντίδρασης του εδάφους, που παρέχονταν από τις λύσεις.

Τα κριτήρια επικυρώθηκαν με μετρημένα δεδομένα γατόπαρδων, και η ομάδα βρήκε ότι το γαλόπ των γατόπαρδων στον πραγματικό κόσμο ικανοποιούσε το κριτήριο για δύο τύπους πτήσης μέσω της κάμψης της σπονδυλικής στήλης.

Όλα αυτά οδήγησαν τους ερευνητές σε νέα εμπειρία σχετικά με την ταχύτητα των γατόπαρδων. Οι περιοδικές λύσεις επίσης αποκάλυψαν ότι το γαλόπ των αλόγων περιλαμβάνει συνεγερμένη πτήση ως αποτέλεσμα περιορισμένης κίνησης της σπονδυλικής στήλης, που σημαίνει ότι οι εξαιρετικά υψηλές ταχύτητες που επιτυγχάνονται από τους γατόπαρδους είναι αποτέλεσμα πρόσθετης εκτεταμένης πτήσης και κάμψης της σπονδυλικής στήλης.

“Ενώ ο μηχανισμός που υποκείεται σε αυτή τη διαφορά των τύπων πτήσης μεταξύ των ειδών των ζώων εξακολουθεί να παραμένει ασαφής, οι ευρεσιτεχνίες μας επεκτείνουν την κατανόηση των δυναμικών μηχανισμών που υποκείονται στην ταχεία κίνηση των γατόπαρδων. Επιπλέον, μπορούν να εφαρμοστούν στο μηχανικό και ελεγκτικό σχεδιασμό των ρομπότ με πόδια στο μέλλον”, λέει ο Δρ. Kamimura.