新しいモデルがチーターの高速運動を探究し、leggロボットの開発に一歩近づく

チーターは陸上で最も速い動物ですが、まだその理由を正確に理解していません。最速時の「 galloping 」ゲイトの使用や、2つの異なる「飛行」タイプを持っていることなど、どのようにしてそうなるのかについてはある程度の理解があります。最初のタイプは、前肢と後肢が体の下にある「集まった飛行」と呼ばれ、2番目のタイプは、前肢と後肢が伸びている「広がった飛行」と呼ばれます。

広がった飛行は、チーターが高速に達することを可能にしますが、どのくらいの速度に達するかは地面の力や特定の条件によって異なります。チーターは、集まった飛行と広がった飛行の間で交互に屈曲と伸張を繰り返しながら、飛行中に顕著な脊柱運動を示します。これにより、高速の移動が可能になります。にもかかわらず、これらの能力に責任を持つダイナミクスについてはまだ多くを理解していません。

動物の走行段階

名古屋工業大学のカミムラトモヤ博士は、知能メカニクスと移動について専門です。

「すべての動物の走行は、飛行段階と立脚段階で構成され、それぞれ異なるダイナミクスが支配しています」とカミムラ博士は説明しています。

飛行段階では、すべての足が空中にあると体の重心が弾道運動を示し、立脚段階では地面反作用力が体を通じて足によって吸収されます。

「そのような複雑でハイブリッドなダイナミクスにより、観察のみでは動物の走行ダイナミクスのメカニズムを解明することができません」とカミムラ博士は続けています。

コンピューターモデリングによる洞察

動物のゲイトと走行中の脊柱運動のダイナミクス的な観点をよりよく理解するために、研究者はシンプルなモデルを使用したコンピューターモデリングに頼ってきました。

ただし、galloping中の飛行タイプや脊柱運動について探究した研究はまだ多くありません。したがって、研究チームはScientific Reportsに掲載された研究を実施し、垂直と脊柱運動を模倣するシンプルなモデルを使用しました。

チームの研究では、2つの剛体と2つの質量のないバーで構成される2次元モデルを使用しました。これは、チーターの足を表しています。剛体は、脊柱の屈曲運動を再現するジョイントと、ねじりバネによって接続されました。チームは、前肢と後肢に同一のダイナミクス的な役割を割り当てました。

チームは、モデルの運動方程式を解き、6つの可能な周期解を導きました。そのうち2つは、チーターがgallopingする2つの異なる飛行タイプに似ており、4つはチーターに似ていない1つの飛行タイプでした。これらは、解によって提供された地面反作用力に関する基準に基づいていた。

基準は、実際のチーターデータで検証され、チームは、チーターが実際の世界で脊柱の屈曲を通じて2つの飛行タイプの基準を満たしていることを発見しました。

これらすべてのことから、研究者はチーターの速度について新しい洞察を得ることができました。周期解は、馬のgallopingは、脊柱運動の制限により集まった飛行を伴うことをも示しました。つまり、チーターが達成する極めて高い速度は、追加の広がった飛行と脊柱の屈曲によるものです。

「動物種間の飛行タイプの違いを支配するメカニズムはまだ不明ですが、私たちの発見は、チーターの高速移動のダイナミクス的なメカニズムの理解を拡大します。さらに、これらは将来的にleggロボットの機械的および制御設計に適用できます」とカミムラ博士は述べています。