Noua teorie explorează mișcarea la viteză mare la lei, aducându-ne mai aproape de roboții cu picioare

Leii sunt cele mai rapide mamifere de uscat, dar încă nu știm exact de ce. Avem o idee despre modul în care, cum ar fi utilizarea unei “gałop” 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 leilor să atingă viteze mari, dar exact cât de rapid depinde de forțele de la sol și de condiții specifice. Leii demonstrează, de asemenea, o notabilă mișcare a coloanei vertebrale în timpul zborului, deoarece alternează între flexie și întindere în modurile strâns și extins, și acest lucru permite o locomoție la viteză mare. 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 constau într-o fază de zbor și o fază de stăruire, cu dinamici diferite care guvernează fiecare fază”, explică Dr. Kamimura.

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

“Din cauza unei astfel de 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 pe calculator oferă perspective

Pentru a obține o înțelegere mai bună a perspectivei dinamice a mersului animalului și a mișcării coloanei vertebrale în timpul alergării, cercetătorii s-au bazat pe modelarea pe calculator 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 Scientific Reports, bazându-se pe un model simplu care emulează mișcarea verticală și a coloanei vertebrale.

Studiul echipei a implicat un model bidimensional format din două corpuri rigide și două bare fără masă, care reprezentau picioarele leului. Corpurile au fost conectate printr-o articulație, care a replicat mișcarea de îndoire a coloanei vertebrale, și o arcă torsională. 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, cum ar fi un leu galopând, și patru care semănau cu un singur tip de zbor, nefiind asemănătoare cu lei. Acestea s-au bazat pe criteriile legate de forțele de reacție de la sol, care au fost furnizate de soluții.

Criteriul a fost apoi verificat cu datele măsurate ale leilor, și echipa a constatat că galopul leilor 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 leilor. Soluțiile periodice au arătat, de asemenea, că galopul calului implică zborul strâns ca urmare a mișcării limitate a coloanei vertebrale, ceea ce înseamnă că vitezele extrem de mari atinse de lei sunt rezultatul unui zbor extins suplimentar și al îndoirii coloanei vertebrale.

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