Nieuw model onderzoekt hoge-snelheidsbeweging bij cheeta’s en brengt ons dichter bij legged robots

Cheetahs zijn de snelste landzoogdieren, maar we weten nog steeds niet precies waarom. We hebben inzicht in hoe, zoals het gebruik van een “galopperende” gang bij hun snelste snelheden, en ze hebben twee verschillende soorten “vlucht”. De eerste omvat hun voorste en achterste ledematen onder hun lichaam en wordt “verzamelde vlucht” genoemd, terwijl de andere hun voorste en achterste ledematen uitstrekt en “uitgebreide vlucht” wordt genoemd.

De uitgebreide vlucht is verantwoordelijk voor het mogelijk maken van cheeta’s om hoge snelheden te bereiken, maar hoe snel dit precies is, hangt af van grondkrachten en specifieke omstandigheden. Cheetahs vertonen ook opvallende rugbeweging tijdens de vlucht, aangezien ze afwisselen tussen flexen en strekken in verzamelde en uitgebreide modi, en dit maakt hoge-snelheidslocomotie mogelijk. Ondanks al deze kennis begrijpen we nog steeds niet veel over de dynamica die deze vaardigheden mogelijk maakt.

Loopfasen bij dieren

Dr. Tomoya Kamimura van de Nagoya Institute of Technology in Japan, is gespecialiseerd in intelligente mechanica en locomotie.

“Alle dierlijke loop bestaat uit een vlucht- en een stancefase, met verschillende dynamica die elke fase beheersen”, legt Dr. Kamimura uit.

De vluchtfase omvat alle voeten in de lucht en het zwaartepunt van het hele lichaam vertoont ballistische beweging. Tijdens de stancefase worden grondreactiekrachten door het lichaam via de voeten opgenomen.

“Vanwege deze complexe en hybride dynamica kunnen observaties ons alleen maar zo ver brengen in het ontrafelen van de mechanismen die ten grondslag liggen aan de loopdynamica van dieren”, vervolgt Dr. Kamimura.

Computermodellering biedt inzicht

Om een beter begrip te krijgen van de dynamische perspectieven van de dierlijke gang en rugbeweging tijdens het lopen, hebben onderzoekers gebruik gemaakt van computermodellering met eenvoudige modellen, en dit is extreem succesvol gebleken.

Met dat gezegd hebbende, zijn er nog maar weinig studies die de soorten vlucht en rugbeweging onderzoeken die plaatsvinden tijdens het galopperen, dus het onderzoeksteam voerde een studie uit die werd gepubliceerd in Scientific Reports, waarbij ze een eenvoudig model gebruikten dat verticale en rugbeweging nabootste.

De studie van het team bestond uit een tweedimensionaal model dat bestond uit twee starre lichamen en twee massaloze stangen, die de benen van de cheeta vertegenwoordigden. De lichamen waren verbonden door een gewricht, dat de buiging van de rug nabootste, en een torsiespring. Het team wees ook identieke dynamische rollen toe aan de voorste en achterste benen.

Het team loste de vereenvoudigde bewegingsvergelijkingen op die het model beheersten, wat leidde tot zes mogelijke periodieke oplossingen, waarvan er twee leken op twee verschillende vluchttypes, zoals een cheeta die galoppeert, en vier leken op slechts één vluchtype, in tegenstelling tot cheeta’s. Deze waren gebaseerd op de criteria met betrekking tot de grondreactiekrachten, die werden geleverd door de oplossingen.

De criteria werden vervolgens geverifieerd met gemeten cheeta-gegevens, en het team vond dat cheeta-galopperen in de echte wereld voldoet aan de criteria voor twee vluchttypes door middel van rugbuiging.

Alles leidde tot het feit dat de onderzoekers nieuwe inzichten kregen in de snelheid van cheeta’s. De periodieke oplossingen onthulden ook dat paarden galopperen een verzamelde vlucht omvat als gevolg van beperkte rugbeweging, wat betekent dat de extreem hoge snelheden die cheeta’s bereiken, het resultaat zijn van extra uitgebreide vlucht en rugbuiging.

“Hoewel het mechanisme dat ten grondslag ligt aan dit verschil in vluchttypes tussen diersoorten nog steeds onduidelijk is, breiden onze bevindingen de kennis uit over de dynamische mechanismen die ten grondslag liggen aan de hoge-snelheidslocomotie bij cheeta’s. Bovendien kunnen ze worden toegepast op de mechanische en besturingsontwerp van legged robots in de toekomst”, zegt Dr. Kamimura.