Uusi malli tutkii nopeaa liikettä gepardeissa ja tuo meidät lähemmäs jalkaisiin roboteille

Gepardit ovat nopeimmat maanisäkkäät, mutta emme vieläkään tiedä tarkkaan, miksi. Meillä on käsitys siitä, miten, kuten käytöstä “laukkaavaa” askelta nopeimmilla nopeuksilla, ja heillä on kaksi erilaista “lentoa”. Ensimmäinen liittyy etu- ja taka-raajiin kehon alla ja sitä kutsutaan “keräävään lento”, kun taas toinen liittyy etu- ja taka-raajiin ojennettuna ja sitä kutsutaan “laajenevaan lento”.

Laajeneva lento on vastuussa siitä, että gepardit pystyvät saavuttamaan korkeat nopeudet, mutta tarkkaan ottaen, kuinka nopeasti riippuu maavoimista ja tiettyjen olosuhteiden mukaan. Gepardit osoittavat myös merkittävää selkärangan liikettä lennossa, kun ne vuorottelevat joustavien ja venyttävien liikkeiden välillä keräävissä ja laajenevissa tiloissa, ja tämä mahdollistaa nopean liikkeen. Vaikka meillä on jo paljon tietoa, emme vieläkään ymmärrä paljoa dynamiikkaa, joka vastaa näistä kyvyistä.

Juoksu vaiheet eläimissä

Tohtori Tomoya Kamimura Nagoyan teknillisen instituutin Japanissa erikoistuu älykkääseen mekaniikkaan ja liikkeeseen.

“Kaikki eläinten juoksu koostuu lentovaiheesta ja askeleenvaiheesta, joita ohjaa erilainen dynamiikka”, tohtori Kamimura selittää.

Lentovaiheessa kaikki jalat ovat ilmassa ja koko kehon massakeskipiste näyttää ballistista liikettä. Askeleenvaiheessa maavoimat imevät kehon kautta jalkojen.

“Tämän monimutkaisen ja hybrididynamiikan vuoksi havainnot voivat vain auttaa meitä selvittämään eläinten juoksudynamiikan mekanismeja”, tohtori Kamimura jatkaa.

Tietokoneella mallinnus tuo lisätietoa

Jotta voidaan saada parempi ymmärrys eläinten askellusdynamiikasta ja selkärangan liikkeestä juoksuessa, tutkijat ovat luottaneet tietokoneella mallinnukseen yksinkertaisilla malleilla, ja se on ollut erittäin onnistunutta.

Sanottuna, on kuitenkin olemassa vain vähän tutkimuksia, jotka tutkivat lento- ja selkärangan liikkeitä, jotka tapahtuvat laukkaavassa, joten tutkimusryhmä teki tutkimuksen, joka julkaistiin Scientific Reports, joka perustui yksinkertaiseen malliin, joka jäljittelee pysty- ja selkärangan liikettä.

Tutkimusryhmän tutkimus käsitti kaksiulotteisen mallin, joka koostui kahdesta jäykästä kappaleesta ja kahdesta massattomasta palkista, jotka edustivat gepardin jalkoja. Kappaleet olivat yhdistetty yhdellä nivelillä, joka toisti selkärangan taipumisen, ja torsiovärinällä. Tutkimusryhmä myös määritteli identtiset dynaamiset roolit etu- ja taka-jaloille.

Tutkimusryhmä ratkaisi yksinkertaistetut liikkeen yhtälöt, jotka ohjasivat mallia, mikä johti kuuteen mahdolliseen jaksolliseen ratkaisuun, joista kaksi muistutti kahta erilaista lentoa, kuten gepardin laukkaavaa, ja neljä muistutti vain yhtä lentoa, kuten hevosen laukkaavaa. Nämä perustuivat maavoimien kriteereihin, jotka ratkaisut tarjosivat.

Kriteeri vahvistettiin mitatun gepardidatasta, ja tutkimusryhmä totesi, että gepardien laukkaus todellisessa maailmassa täytti kriteerin kahta lentoa selkärangan taipumisen kautta.

Kaikki tämä johti siihen, että tutkijat saivat uuden näkökulman gepardien nopeuteen. Jaksolliset ratkaisut paljastivat myös, että hevosen laukkaus sisältää keräävän lennon selkärangan rajoitetun liikkeen vuoksi, mikä tarkoittaa, että gepardien erittäin korkeat nopeudet ovat seurausta lisäksi laajenevasta lennosta ja selkärangan taipumisesta.

“Vaikka mekanismi, joka vastaa tästä lennon tyypeissä olevasta erosta eläinlajien välillä, edelleen on epäselvä, tutkimuksemme laajentaa ymmärrystä dynaamisista mekanismeista, jotka ovat perustana gepardien nopealle liikkeelle. Lisäksi ne voidaan soveltaa jalkaisiin roboteihin tulevaisuudessa”, tohtori Kamimura sanoo.