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치타는陸上에서 가장 빠른 포유류지만, 우리는 아직 정확하게 왜 그런지 모른다. 우리는 어떻게 하는지에 대한 통찰력을 가지고 있다. 예를 들어, 가장 빠른 속도에서 “galloping” 걸음새를 사용하며, 두 가지 유형의 “비행”이 있다. 첫 번째는 몸 아래에 전지와 후지가 있는 “모은 비행”이고, 두 번째는 전지와 후지가 펼쳐진 “펼친 비행”이다.
펼친 비행은 치타가 고속에 도달하는 것을 가능하게 하지만, 정확히 얼마나 빠른지는 지면력과 특정 조건에 따라 다르다. 치타는 또한 비행 중에 유연한 척추运动을 보여주며, 모은 모드와 펼친 모드 사이에서屈曲과 신전을 교대로 하여 고속 운동을 가능하게 한다. 이러한 모든 지식에도 불구하고, 우리는 여전히 이러한 능력에 책임있는 역학에 대해 많이 이해하지 못한다.
동물의 달리기 단계
나고야 공업대학의 카미무라 토모야 박사는 지능형 기계와 운동에 전문가이다.
“모든 동물의 달리기는 비행 단계와 지지 단계로 구성되며, 각 단계에는 다른 역학이 작용한다”고 카미무라 박사는 설명한다.
비행 단계에서는 모든 발이 공중에 있고, 몸의 중 心이 탄도 운동을 한다. 지지 단계에서는 지면 반력력이 발을 통해 몸에 흡수된다.
“이러한 복잡하고 혼합된 역학으로 인해, 관찰만으로는 동물의 달리기 역학을 이해하는 데 한계가 있다”고 카미무라 박사는 계속한다.
컴퓨터 모델링으로 통찰력 얻기
동물의 걸음새와 척추 운동에 대한 역학적 관점을 더 잘 이해하기 위해, 연구자들은 단순한 모델을 사용한 컴퓨터 모델링에 의존했으며, 이는 매우 성공적이었다.
그러나, 아직까지는 비행 유형과 척추 운동이 갈로핑 중에 발생하는 연구는 많지 않으므로, 연구 팀은 Scientific Reports, 에서 발표된 연구에서 수직과 척추 운동을 모방하는 단순한 모델을 사용하여 연구를 수행했다.
연구 팀의 연구에는 두 개의剛體와 두 개의 무중량 바가 포함된 2차원 모델이 사용되었으며, 이는 치타의 다리를 나타낸다.剛體는 관절로 연결되어 있으며, 이는 척추의 굽힘 운동을 복제하며, 비틀림 스프링이 있다. 연구 팀은 또한 전지와 후지에 동일한 역학적 역할을 할당했다.
연구 팀은 모델의 운동 방정식을 풀었으며, 이는 6개의 가능한 주기적 해를導致했으며, 그 중 2개는 치타의 갈로핑과 같은 두 가지 비행 유형을 닮았고, 4개는 치타와 달리 한 가지 비행 유형만을 닮았다. 이는 지면 반력력에 대한 기준에 따라 결정되었다.
그런 다음 기준은 측정된 치타 데이터와 검증되었으며, 연구 팀은 실제 세계에서 치타의 갈로핑이 척추 굽힘을 통해 두 가지 비행 유형의 기준을 만족한다는 것을 발견했다.
이 모든 것이 연구자들이 치타의 속도에 대한 새로운 통찰력을 얻도록 했다. 주기적 해는 또한 말의 갈로핑이 제한된 척추 운동으로 인해 모은 비행을 포함한다는 것을 보여주었으며, 치타가 đạt하는 매우 높은 속도는 추가적인 펼친 비행과 척추 굽힘의 결과이다.
“동물 종 사이의 비행 유형의 차이의 메커니즘은 여전히 불분명하지만, 우리의 발견은 치타의 고속 운동에 대한 역학적 메커니즘의 이해를 확장한다. 또한, 이는 미래의 다리 로봇의 기계적 및 제어 설계에 적용될 수 있다”고 카미무라 박사는 말한다.
