Nouveau modèle explore le mouvement à haute vitesse chez les guépards, nous rapprochant des robots à pattes

Les guépards sont les mammifères terrestres les plus rapides, mais nous ne savons toujours pas exactement pourquoi. Nous avons une idée de la façon dont, comme l’utilisation d’un galop à leurs vitesses les plus élevées, et ils ont deux types différents de “vol”. Le premier implique leurs membres antérieurs et postérieurs sous leur corps et est appelé “vol rassemblé”, tandis que l’autre implique leurs membres antérieurs et postérieurs étendus et est appelé “vol étendu”.

Le vol étendu est responsable de permettre aux guépards d’atteindre des vitesses élevées, mais exactement à quelle vitesse dépend des forces du sol et des conditions spécifiques. Les guépards montrent également un mouvement de colonne vertébrale notable pendant le vol, car ils alternent entre la flexion et l’étirement en mode rassemblé et étendu, et cela permet une locomotion à haute vitesse. Malgré toutes ces connaissances, nous ne comprenons toujours pas beaucoup la dynamique responsable de ces capacités.

Phases de course chez les animaux

Le Dr Tomoya Kamimura de l’Institut de technologie de Nagoya, au Japon, se spécialise dans la mécanique intelligente et la locomotion.

“Toute course d’animal constitue une phase de vol et une phase de stance, avec des dynamiques différentes régissant chaque phase”, explique le Dr Kamimura.

La phase de vol implique que tous les pieds soient dans les airs et que le centre de masse du corps entier présente un mouvement balistique. Pendant la phase de stance, les forces de réaction du sol sont absorbées par le corps à travers les pieds.

“En raison de ces dynamiques complexes et hybrides, les observations ne peuvent nous mener que jusqu’à un certain point pour dévoiler les mécanismes sous-jacents à la dynamique de course des animaux”, poursuit le Dr Kamimura.

La modélisation informatique apporte des connaissances

Afin de mieux comprendre la perspective dynamique de la démarche animale et du mouvement de la colonne vertébrale pendant la course, les chercheurs ont eu recours à la modélisation informatique avec des modèles simples, et cela a été extrêmement réussi.

Cela étant dit, il n’y a pas encore eu beaucoup d’études explorant les types de vol et le mouvement de la colonne vertébrale qui se produisent pendant le galop, donc l’équipe de recherche a entrepris une étude publiée dans Scientific Reports, en s’appuyant sur un modèle simple imitant le mouvement vertical et de la colonne vertébrale.

L’étude de l’équipe a impliqué un modèle bidimensionnel composé de deux corps rigides et de deux barres sans masse, qui représentaient les pattes du guépard. Les corps étaient connectés par une articulation, qui reproduisait le mouvement de flexion de la colonne vertébrale, et un ressort de torsion. L’équipe a également attribué des rôles dynamiques identiques aux pattes avant et arrière.

L’équipe a résolu les équations de mouvement simplifiées qui régissaient le modèle, ce qui a conduit à six solutions périodiques possibles, dont deux ressemblaient à deux types de vol différents, comme un guépard galopant, et quatre ressemblaient à un seul type de vol, contrairement aux guépards. Celles-ci étaient basées sur les critères liés aux forces de réaction du sol, qui étaient fournies par les solutions.

Le critère a ensuite été vérifié avec des données de guépards mesurées, et l’équipe a constaté que le galop du guépard dans le monde réel satisfaisait le critère pour deux types de vol par flexion de la colonne vertébrale.

Tout cela a conduit les chercheurs à acquérir de nouvelles connaissances sur la vitesse des guépards. Les solutions périodiques ont également révélé que le galop du cheval implique un vol rassemblé en raison d’un mouvement de colonne vertébrale restreint, ce qui signifie que les vitesses extrêmement élevées atteintes par les guépards sont le résultat d’un vol étendu et d’une flexion de la colonne vertébrale supplémentaires.

“Bien que le mécanisme sous-jacent à cette différence de types de vol entre les espèces animales reste encore peu clair, nos résultats étendent la compréhension des mécanismes dynamiques sous-jacents à la locomotion à haute vitesse chez les guépards. De plus, ils peuvent être appliqués à la conception mécanique et de contrôle des robots à pattes à l’avenir”, déclare le Dr Kamimura.