Novo Modelo Explores Movimento de Alta Velocidade em Chitas, Nos Aproximando de Robôs com Pernas

As chitas são os mamíferos terrestres mais rápidos, mas ainda não sabemos exatamente por quê. Temos conhecimento de como, como o uso de uma corrida de “galope” em suas velocidades mais rápidas, e elas têm dois tipos diferentes de “voo”. O primeiro envolve seus membros anteriores e posteriores sob o corpo e é chamado de “voo reunido”, enquanto o outro envolve seus membros anteriores e posteriores estendidos e é chamado de “voo estendido”.

O voo estendido é responsável por permitir que as chitas atinjam altas velocidades, mas exatamente quão rápido depende das forças do solo e condições específicas. As chitas também demonstram um notável movimento da espinha durante o voo, pois alternam entre flexão e estiramento nos modos reunido e estendido, e isso permite a locomoção de alta velocidade. Apesar de todo esse conhecimento, ainda não entendemos muito sobre a dinâmica responsável por essas habilidades.

Fases de Corrida em Animais

O Dr. Tomoya Kamimura, do Instituto de Tecnologia de Nagoya, no Japão, é especializado em mecânica inteligente e locomoção.

“Toda corrida de animal constitui uma fase de voo e uma fase de apoio, com dinâmicas diferentes governando cada fase”, explica o Dr. Kamimura.

A fase de voo envolve todos os pés no ar e o centro de massa do corpo inteiro exibindo movimento balístico. Durante a fase de apoio, as forças de reação do solo são absorvidas pelo corpo através dos pés.

“Devido a essas dinâmicas complexas e híbridas, as observações só podem nos levar até certo ponto na compreensão dos mecanismos subjacentes à dinâmica de corrida dos animais”, continua o Dr. Kamimura.

Modelagem por Computador Oferece Insight

Para obter uma melhor compreensão da perspectiva dinâmica da marcha animal e do movimento da espinha durante a corrida, os pesquisadores confiaram na modelagem por computador com modelos simples, e isso foi extremamente bem-sucedido.

No entanto, ainda não houve muitos estudos explorando os tipos de voo e movimento da espinha que ocorrem durante o galope, então a equipe de pesquisa realizou um estudo publicado em Scientific Reports, confiando em um modelo simples que emula o movimento vertical e da espinha.

O estudo da equipe envolveu um modelo bidimensional composto por dois corpos rígidos e duas barras sem massa, que representavam as pernas da chita. Os corpos estavam conectados por uma articulação, que replicava o movimento de flexão da espinha, e uma mola torsional. A equipe também atribuiu papéis dinâmicos idênticos às pernas dianteiras e traseiras.

A equipe resolveu as equações de movimento simplificadas que governavam o modelo, o que levou a seis soluções periódicas possíveis, duas das quais se assemelhavam a dois tipos diferentes de voo, como uma chita galopando, e quatro se assemelhavam a apenas um tipo de voo, diferente das chitas. Essas foram baseadas nos critérios relacionados às forças de reação do solo, que foram fornecidas pelas soluções.

O critério foi então verificado com dados medidos de chitas, e a equipe descobriu que o galope de chitas no mundo real atendia ao critério para dois tipos de voo por meio da flexão da espinha.

Tudo isso levou os pesquisadores a obter novos insights sobre a velocidade das chitas. As soluções periódicas também revelaram que o galope de cavalos envolve voo reunido como resultado do movimento restrito da espinha, o que significa que as velocidades extremamente altas alcançadas pelas chitas são resultado do voo estendido adicional e da flexão da espinha.

“Embora o mecanismo subjacente a essa diferença nos tipos de voo entre espécies de animais ainda permaneça incerto, nossas descobertas estendem a compreensão dos mecanismos dinâmicos subjacentes à locomoção de alta velocidade em chitas. Além disso, elas podem ser aplicadas ao design mecânico e de controle de robôs com pernas no futuro”, afirma o Dr. Kamimura.