Nuevo modelo explora el movimiento de alta velocidad en los guepardos, acercándonos a los robots con patas

Los guepardos son los mamíferos terrestres más rápidos, pero aún no sabemos exactamente por qué. Tenemos una idea de cómo, como el uso de un paso "galopante" a sus velocidades más rápidas, y tienen dos tipos diferentes de "vuelo". El primero involucra sus extremidades delanteras y traseras debajo de su cuerpo y se llama "vuelo reunido", mientras que el otro involucra sus extremidades delanteras y traseras estiradas y se llama "vuelo extendido".

El vuelo extendido es responsable de permitir que los guepardos alcancen altas velocidades, pero la velocidad exacta depende de las fuerzas terrestres y las condiciones específicas. Los guepardos también demuestran un notable movimiento de la columna durante el vuelo, ya que alternan entre flexionarse y estirarse en los modos extendido y recogido, y esto les permite una locomoción de alta velocidad. A pesar de todo este conocimiento, todavía no entendemos mucho sobre la dinámica responsable de estas habilidades.

Fases de ejecución en animales

El Dr. Tomoya Kamimura del Instituto de Tecnología de Nagoya, Japón, se especializa en mecánica inteligente y locomoción. 

“Todas las carreras de animales constituyen una fase de vuelo y una fase de postura, con diferentes dinámicas que gobiernan cada fase”, explica el Dr. Kamimura.

La fase de vuelo implica que todos los pies estén en el aire y que el centro de masa de todo el cuerpo muestre un movimiento balístico. Durante la fase de apoyo, las fuerzas de reacción del suelo son absorbidas por el cuerpo a través de los pies.

“Debido a una dinámica tan compleja e híbrida, las observaciones solo pueden ayudarnos a desentrañar los mecanismos subyacentes a la dinámica de carrera de los animales”, continúa el Dr. Kamimura.

El modelado por computadora brinda información

Con el fin de obtener una mejor comprensión de la perspectiva dinámica de la marcha de los animales y el movimiento de la columna vertebral durante la carrera, los investigadores se han basado en el modelado por computadora con modelos simples, y ha tenido un gran éxito. 

Dicho esto, aún no se han realizado muchos estudios que exploren los tipos de vuelo y el movimiento de la columna que tiene lugar durante el galope, por lo que el equipo de investigación realizó un estudio publicado en Informes científicos, apoyándose en un modelo simple que emula el movimiento vertical y de columna.

El estudio del equipo involucró un modelo bidimensional compuesto por dos cuerpos rígidos y dos barras sin masa, que representaban las patas del guepardo. Los cuerpos estaban conectados por una articulación, que replicaba el movimiento de flexión de la columna vertebral, y un resorte de torsión. El equipo también asignó roles dinámicos idénticos a las patas delanteras y traseras. 

El equipo resolvió las ecuaciones de movimiento simplificadas que regían el modelo, lo que condujo a seis posibles soluciones periódicas, dos de las cuales se asemejaban a dos tipos de vuelo diferentes, como un guepardo al galope, y cuatro se asemejaban a un solo tipo de vuelo, a diferencia de los guepardos. Estos se basaron en los criterios relacionados con las fuerzas de reacción del suelo, que fueron proporcionados por las soluciones. 

Luego, los criterios se verificaron con datos de guepardos medidos, y el equipo descubrió que los guepardos al galope en el mundo real cumplían con el criterio para dos tipos de vuelo a través de la flexión de la columna.

Todo esto llevó a los investigadores a obtener nuevos conocimientos sobre la velocidad de los guepardos. Las soluciones periódicas también revelaron que el galope de los caballos implica un vuelo concentrado como resultado del movimiento restringido de la columna, lo que significa que las velocidades extremadamente altas que alcanzan los guepardos son el resultado de un vuelo más prolongado y la flexión de la columna. 

“Si bien el mecanismo subyacente a esta diferencia en los tipos de vuelo entre las especies animales aún no está claro, nuestros hallazgos amplían la comprensión de los mecanismos dinámicos que subyacen a la locomoción de alta velocidad en los guepardos. Además, se pueden aplicar al diseño mecánico y de control de robots con patas en el futuro”, dice el Dr. Kamimura.