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

Los guepardos son los mamíferos terrestres más rápidos, pero todavía no sabemos exactamente por qué. Tenemos una idea de cómo, como el uso de una “galope” a sus velocidades más altas, y tienen dos tipos diferentes de “vuelo”. El primero implica sus miembros delanteros y traseros debajo de su cuerpo y se llama “vuelo recogido”, mientras que el otro implica sus miembros delanteros y traseros estirados y se llama “vuelo extendido”.

El vuelo extendido es responsable de permitir que los guepardos alcancen altas velocidades, pero exactamente cuán rápido depende de las fuerzas del suelo y las condiciones específicas. Los guepardos también demuestran un notable movimiento de la columna vertebral durante el vuelo, ya que alternan entre flexionar y estirar en modos recogidos y extendidos, y esto permite la locomoción de alta velocidad. A pesar de todo este conocimiento, todavía no entendemos mucho sobre la dinámica responsable de estas habilidades.

Fases de carrera en animales

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

“Toda carrera de animal constituye una fase de vuelo y una fase de postura, con dinámicas diferentes que gobiernan cada fase”, explica el Dr. Kamimura.

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

“Debido a tales dinámicas complejas e híbridas, las observaciones solo pueden llevarnos hasta cierto punto en desentrañar los mecanismos subyacentes a la dinámica de carrera de los animales”, continúa el Dr. Kamimura.

La modelización por computadora aporta conocimiento

Para obtener una mejor comprensión de la perspectiva dinámica de la marcha animal y el movimiento de la columna vertebral durante la carrera, los investigadores han recurrido a la modelización por computadora con modelos simples, y ha sido extremadamente exitosa.

Dicho esto, todavía no hay muchos estudios que exploren los tipos de vuelo y el movimiento de la columna vertebral que tienen lugar durante el galope, por lo que el equipo de investigación emprendió un estudio publicado en Scientific Reports, basándose en un modelo simple que emula el movimiento vertical y el movimiento de la columna vertebral.

El estudio del equipo involucró un modelo bidimensional que comprende 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 torsional. El equipo también asignó roles dinámicos idénticos a las patas delanteras y traseras.

El equipo resolvió las ecuaciones de movimiento simplificadas que gobernaban el modelo, lo que llevó a seis soluciones periódicas posibles, dos de las cuales se asemejaban a dos tipos diferentes de vuelo, como un guepardo galopando, y cuatro se asemejaban solo a un 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.

El criterio se verificó entonces con datos medidos de guepardos, y el equipo encontró que el galope de guepardos en el mundo real satisface el criterio para dos tipos de vuelo a través de la flexión de la columna vertebral.

Todo esto llevó a los investigadores a obtener una nueva perspectiva sobre la velocidad de los guepardos. Las soluciones periódicas también revelaron que el galope de caballos implica un vuelo recogido como resultado del movimiento restrictivo de la columna vertebral, lo que significa que las velocidades extremadamente altas logradas por los guepardos son el resultado de un vuelo extendido adicional y la flexión de la columna vertebral.

“Aunque el mecanismo subyacente a esta diferencia en los tipos de vuelo entre especies de animales todavía no está claro, nuestros hallazgos amplían la comprensión de los mecanismos dinámicos subyacentes a la locomoción de alta velocidad en guepardos. Además, pueden aplicarse al diseño mecánico y de control de robots con patas en el futuro”, dice el Dr. Kamimura.