치타의 고속 운동을 탐구하는 새로운 모델, 다리 로봇 개발에 한 걸음 더 가까이

치타는陸上에서 가장 빠른 동물이지만, 우리는 여전히 왜인지 정확히 모른다. 우리는 어떻게 하는지에 대한 통찰력을 가지고 있다. 예를 들어, 가장 빠른 속도에서 “galloping” 걸음으로 이동하며, 두 가지 유형의 “비행”이 있다. 첫 번째는 몸 아래에 앞다리와 뒷다리가 있는 “모은 비행”이고, 두 번째는 앞다리와 뒷다리가 뻗어있는 “펼친 비행”이다.

펼친 비행은 치타가 고속에 도달하는 것을 가능하게 하지만, 정확히 얼마나 빠른지에는 지면의 힘과 특정 조건이 포함된다. 치타는 비행 중에도 유의미한 척추 운동을 보여주며, 모은 모드와 펼친 모드 사이에서屈曲과 신장 사이를 교대로 반복하며, 이는 고속 운동을 가능하게 한다. 이러한 모든 지식을 가지고 있음에도 불구하고, 우리는 여전히 이러한 능력에 책임 있는 역학에 대해 많이 모른다.

동물의 달리기 단계

나고야 공업대학의 카미무라 토모야 박사는 지능형 메카닉스와 운동학을 전문으로 한다.

“모든 동물의 달리기는 비행 단계와 지지 단계로 구성되며, 각 단계에는 다른 역학이 작용한다”고 카미무라 박사는 설명한다.

비행 단계는 모든 발이 공중에 있고, 몸 전체의 중 心이 탄도 운동을 하는 단계이다. 지지 단계에서는 지면 반작용력이 발을 통해 몸에 흡수된다.

“이러한 복잡하고 혼합된 역학으로 인해, 관찰만으로는 동물의 달리기 역학의 메커니즘을 풀어내기에는 한계가 있다”고 카미무라 박사는 계속한다.

컴퓨터 모델링이 통찰력을 제공한다

동물의 걸음과 척추 운동에 대한 역학적 관점을 더 잘 이해하기 위해, 연구자들은 단순한 모델을 사용한 컴퓨터 모델링에 의존해 왔으며, 이는 매우 성공적이었다.

그러나, 아직까지는 갈로핑 중에 발생하는 비행 유형과 척추 운동에 대한 연구가 많지 않으므로, 연구 팀은 Scientific Reports에 발표된 연구를 수행하였으며, 이는 수직 및 척추 운동을 모방하는 단순 모델을 사용하였다.

연구 팀의 연구는 두 개의剛體와 두 개의무중량 바를 포함하는 2차원 모델을 사용하였으며, 이는 치타의 다리를 나타낸다.剛體는 관절로 연결되어 있으며, 이는 척추의 굽힘 운동을 복제한다. 또한, 연구 팀은 앞다리와 뒷다리에 동일한 역학적 역할을 할당하였다.

연구 팀은 모델의 운동 방정식을 풀었으며, 이는 여섯 개의 가능한 주기적 해를 제공하였다. 두 개의 해는 치타의 갈로핑과 같은 두 가지 비행 유형을 닮았으며, 네 개의 해는 치타와 달리 한 가지 비행 유형만을 닮았다. 이러한 해는 지면 반작용력과 관련된 기준에 따라 결정되었다.

그런 다음, 연구 팀은 치타의 실제 데이터와 기준을 검증하였으며, 연구 팀은 치타의 갈로핑이 척추 굽힘을 통해 두 가지 비행 유형의 기준을 만족한다는 것을 발견하였다.

이 모든 것이 치타의 속도에 대한 새로운 통찰력을 제공하였다. 주기적 해는 또한 말의 갈로핑이 제한된 척추 운동으로 인해 모은 비행을 포함한다는 것을 보여주었으며, 이는 치타가 매우 높은 속도를 달성하는 데 추가적인 펼친 비행과 척추 굽힘이 필요함을 의미한다.

“이러한 비행 유형의 차이의 메커니즘은 여전히 불분명하지만, 우리의 발견은 치타의 고속 운동의 역학적 메커니즘에 대한 이해를 확장한다. 또한, 이러한 발견은 미래의 다리 로봇의 기계적 및 제어 설계에 적용될 수 있다”고 카미무라 박사는 말한다.