チーターの高速運動を探る新しいモデル、将来的に四足ロボットの開発に貢献する

チーターは陸上で最も速い動物ですが、その理由はまだ完全にはわかっていません。チーターは「galloping」と呼ばれるガイトを使用し、2種類の「flight」を持っています。1つは、前肢と後肢が体の下にある「gathered flight」で、もう1つは、前肢と後肢が伸びている「extended flight」です。

extended flight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決まります。チーターは飛行中に顕著な脊柱の動きを示し、gatheredモードとextendedモードの間で屈曲と伸張を交互に繰り返し、これにより高速の運動が可能になります。にもかかわらず、これらの能力を支配するダイナミクスについてはまだ多くがわかっていません。

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、知能メカニクスと運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、各段階には異なるダイナミクスが作用します」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り、体の重心が弾道運動を示します。立脚段階では、地面反作用力が足を通じて体に吸収されます。

「これらの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難しい」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

動物の歩行と走行中の脊柱の動きについての動的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。これは非常に成功しています。

しかし、galloping中の飛行と脊柱の動きについての研究はまだ多くありません。そこで、研究チームは、Scientific Reportsに掲載された研究を実施し、垂直と脊柱の動きを模倣するシンプルなモデルを使用しました。

研究チームの研究では、2つの剛体と2つの質量のない棒で構成される2次元モデルが使用されました。これは、チーターの足を表します。剛体は、脊柱の屈曲を模倣するジョイントとトーショナルスプリングで接続されました。チームは、前肢と後肢に同じダイナミックな役割を割り当てました。

チームは、モデルを支配する簡略化された運動方程式を解き、6つの可能な周期解が得られました。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つはチーターと異なり、1つの飛行タイプのみに似ていました。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gallopingする現実の世界では、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、脊柱の動きが制限されているため、gathered flightの結果であることも明らかにしました。チーターが達成する極めて高い速度は、追加のextended flightと脊柱の屈曲の結果である。

「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、チーターにおける高速運動の下にある動的メカニズムの理解を拡大することができました。さらに、これらの知見は将来的に四足ロボットの機械的および制御設計に応用できる」とカミムラ博士は述べています。