Nowy model bada ruch o dużej prędkości u gepardów, przybliżając nas do robotów o nogach

Gepardy są najszybszymi ssakami lądowymi, ale nadal nie wiemy dokładnie, dlaczego. Mamy wgląd w to, jak to robią, takie jak używanie “galopującego” chodu przy największych prędkościach, i mają dwa różne typy “lotu”. Pierwszy obejmuje ich przednie i tylne kończyny pod ciałem i nazywa się “zebranym lotem”, podczas gdy drugi obejmuje ich przednie i tylne kończyny rozciągnięte i nazywa się “rozszerzonym lotem”.

Rozszerzony lot jest odpowiedzialny za umożliwienie gepardom osiągania wysokich prędkości, ale dokładnie jak szybko zależy od sił działających na podłoże i konkretnych warunków. Gepardy również wykazują znaczące ruchy kręgosłupa podczas lotu, gdy naprzemiennie zginają i prostują w trybach zebranym i rozszerzonym, co pozwala na lokomocję o wysokiej prędkości. Mimo wszystkich tych informacji, nadal nie rozumiemy zbyt wiele dynamiki odpowiedzialnej za te zdolności.

Fazy biegu u zwierząt

Dr Tomoya Kamimura z Nagoya Institute of Technology, Japonia, specjalizuje się w inteligentnej mechanice i lokomocji.

“Wszystkie zwierzęce biegi składają się z fazy lotu i fazy postoju, z różnymi dynamikami rządzącymi każdą fazą”, wyjaśnia dr Kamimura.

Faza lotu obejmuje wszystkie nogi w powietrzu i centrum masy całego ciała, które wykazuje ruch balistyczny. Podczas fazy postoju siły reakcji podłoża są pochłaniane przez ciało przez nogi.

“Ze względu na tak złożoną i hybrydową dynamikę, obserwacje mogą nas zaprowadzić tylko do pewnego punktu w odkrywaniu mechanizmów leżących u podstaw dynamiki biegu zwierząt”, kontynuuje dr Kamimura.

Modelowanie komputerowe dostarcza wglądu

Aby uzyskać lepsze zrozumienie dynamicznej perspektywy chodu zwierząt i ruchu kręgosłupa podczas biegu, naukowcy polegali na modelowaniu komputerowym z prostymi modelami, co okazało się bardzo skuteczne.

Jednakże, nie było jeszcze wielu badań, które zajmowałyby się typami lotu i ruchem kręgosłupa, które występują podczas galopowania, więc zespół badawczy podjął studium opublikowane w Scientific Reports, opierając się na prostym modelu, który naśladuje ruch pionowy i kręgosłupa.

Studium zespołu obejmowało dwuwymiarowy model składający się z dwóch sztywnych ciał i dwóch bezwładnych prętów, które reprezentowały nogi geparda. Ciała były połączone stawem, który replikował zginanie kręgosłupa, oraz sprężyną skrętną. Zespół również przypisał identyczne role dynamiczne przednim i tylnym nogom.

Zespół rozwiązał uproszczone równania ruchu, które rządziły modelem, co doprowadziło do sześciu możliwych okresowych rozwiązań, z których dwa przypominały dwa różne typy lotu, jak gepard galopujący, a cztery przypominały tylko jeden typ lotu, niepodobny do gepardów. Były one oparte na kryteriach związanych z siłami reakcji podłoża, które były dostarczone przez rozwiązania.

Kryteria zostały następnie zweryfikowane z danymi gepardów, a zespół stwierdził, że galopowanie gepardów w świecie rzeczywistym spełniało kryterium dla dwóch typów lotu poprzez zginanie kręgosłupa.

To wszystko doprowadziło do tego, że naukowcy uzyskali nowy wgląd w prędkość gepardów. Okresowe rozwiązania ujawniły również, że galopowanie koni obejmuje zebrany lot w wyniku ograniczonego ruchu kręgosłupa, co oznacza, że ekstremalnie wysokie prędkości osiągane przez gepardy są wynikiem dodatkowego rozszerzonego lotu i zginania kręgosłupa.

“Chociaż mechanizm leżący u podstaw tej różnicy w typach lotu między gatunkami zwierząt nadal pozostaje niejasny, nasze odkrycia rozszerzają zrozumienie dynamicznych mechanizmów leżących u podstaw lokomocji o wysokiej prędkości u gepardów. Ponadto, mogą one być stosowane w mechanicznej i kontrolnej konstrukcji robotów o nogach w przyszłości”, mówi dr Kamimura.