Noua cercetare explorează mișcarea de înaltă viteză la leopardi, aducându-ne mai aproape de roboții cu picioare

Leopardii sunt cele mai rapide mamifere de uscat, dar încă nu știm exact de ce. Avem o idee despre cum, cum ar fi utilizarea unei “gaits” de “galop” la vitezele lor maxime, și au două tipuri diferite de “zbor”. Primul implică membrele anterioare și posterioare sub corp și se numește “zbor strâns”, în timp ce celălalt implică membrele anterioare și posterioare întinse și se numește “zbor extins”.

Zborul extins este responsabil pentru permiterea leopardilor să atingă viteze ridicate, dar exact cât de rapid depinde de forțele de la sol și de condițiile specifice. Leopardii demonstrează, de asemenea, o mișcare notabilă a coloanei vertebrale în timpul zborului, alternând între flexie și întindere în modurile strâns și extins, și acest lucru permite locomoția de înaltă viteză. În ciuda tuturor acestor cunoștințe, încă nu înțelegem mult despre dinamica responsabilă pentru aceste abilități.

Fazele de alergare la animale

Dr. Tomoya Kamimura de la Institutul de Tehnologie din Nagoya, Japonia, se specializează în mecanică inteligentă și locomoție.

“Toate alergările animalelor constituie o fază de zbor și o fază de poziție, cu dinamici diferite care guvernează fiecare fază”, explică dr. Kamimura.

Faza de zbor implică toate picioarele fiind în aer și centrul de masă al întregului corp care prezintă o mișcare balistică. În timpul fazei de poziție, forțele de reacție ale solului sunt absorbite de corp prin picioare.

“Din cauza acestei dinamici complexe și hibride, observațiile pot duce doar până la un anumit punct în dezvăluirea mecanismelor care stau la baza dinamicii de alergare a animalelor”, continuă dr. Kamimura.

Modelarea computerizată aduce claritate

Pentru a obține o înțelegere mai bună a perspectivei dinamice a mersului animal și a mișcării coloanei vertebrale în timpul alergării, cercetătorii s-au bazat pe modelarea computerizată cu modele simple, și a fost extrem de de succes.

Cu toate acestea, nu au existat multe studii care să exploreze tipurile de zbor și mișcarea coloanei vertebrale care are loc în timpul galopului, astfel încât echipa de cercetare a întreprins un studiu publicat în Raporturi științifice, bazându-se pe un model simplu care emulează mișcarea verticală și a coloanei vertebrale.

Studiul echipei a implicat un model bidimensional alcătuit din două corpuri rigide și două bare fără masă, care reprezentau picioarele leopardului. Corpurile erau conectate printr-o articulație, care replica mișcarea de îndoire a coloanei vertebrale, și un resort torsional. Echipa a atribuit, de asemenea, roluri dinamice identice pentru picioarele anterioare și posterioare.

Echipa a rezolvat ecuațiile de mișcare simplificate care guvernau modelul, ceea ce a condus la șase soluții periodice posibile, două dintre care semănau cu două tipuri diferite de zbor, ca un leopard care galopează, și patru semănau cu un singur tip de zbor, nefiind ca leopardii. Acestea se bazau pe criteriile legate de forțele de reacție ale solului, care au fost furnizate de soluții.

Criteriul a fost apoi verificat cu datele măsurate ale leopardilor, și echipa a găsit că galopul leopardilor în lumea reală a satisfăcut criteriul pentru două tipuri de zbor prin îndoirea coloanei vertebrale.

Toate acestea au condus la faptul că cercetătorii au obținut o perspectivă proaspătă asupra vitezei leopardilor. Soluțiile periodice au arătat, de asemenea, că galopul calului implică zbor strâns ca urmare a mișcării restrânse a coloanei vertebrale, ceea ce înseamnă că vitezele extrem de ridicate atinse de leopardi sunt rezultatul unui zbor extins suplimentar și al îndoirii coloanei vertebrale.

“În timp ce mecanismul care stă la baza acestei diferențe în tipuri de zbor între specii de animale încă rămâne neclar, descoperirile noastre extind înțelegerea mecanismelor dinamice care stau la baza locomoției de înaltă viteză la leopardi. Mai mult, acestea pot fi aplicate proiectării mecanice și de control a roboților cu picioare în viitor”, spune dr. Kamimura.