Новая модель изучает высокоскоростное движение у гепардов, приближая нас к роботам с ногами

Гепарды – самые быстрые наземные млекопитающие, но мы все еще не знаем точно, почему. У нас есть представление о том, как они это делают, например, использование “галопирующей” походки на их самых высоких скоростях, и у них есть два разных типа “полета”. Первый включает их передние и задние конечности под их телом и называется “собранным полетом”, а другой включает их передние и задние конечности, вытянутые и называется “расширенным полетом”.

Расширенный полет отвечает за то, чтобы гепарды могли достигать высоких скоростей, но точно как быстро зависит от сил, действующих на землю, и конкретных условий. Гепарды также демонстрируют заметное движение позвоночника во время полета, когда они чередуют сгибание и растяжение в собранных и расширенных режимах, и это позволяет высокоскоростному движению. Несмотря на все это знание, мы все еще не понимаем многое о динамике, ответственной за эти способности.

Фазы бега у животных

Доктор Томоя Камимура в Нагойском технологическом институте, Япония, специализируется на интеллектуальной механике и движении.

“Все животные бег представляет собой фазу полета и фазу стойки, с разными динамиками, управляющими каждой фазой”, – объясняет доктор Камимура.

Фаза полета включает все ноги, находящиеся в воздухе, и центр масс всего тела, демонстрирующий баллистическое движение. Во время фазы стойки силы реакции земли поглощаются телом через ноги.

“Из-за таких сложных и гибридных динамик наблюдения могут привести нас только так далеко в раскрытии механизмов, лежащих в основе динамики бега животных”, – продолжает доктор Камимура.

Компьютерное моделирование дает представление

Чтобы лучше понять динамический аспект походки животных и движение позвоночника во время бега, исследователи полагались на компьютерное моделирование с простыми моделями, и это было非常 успешно.

С учетом этого, еще не было много исследований, изучающих типы полета и движение позвоночника, происходящее во время галопа, поэтому исследовательская группа провела исследование, опубликованное в Scientific Reports, полагаясь на простую модель, имитирующую вертикальное и движение позвоночника.

Исследование команды включало двумерную модель, состоящую из двух жестких тел и двух безмассовых стержней, которые представляли ноги гепарда. Тела были соединены шарниром, который повторял сгибание позвоночника, и торсионной пружиной. Команда также присвоила идентичные динамические роли передним и задним ногам.

Команда решила упрощенные уравнения движения, управляющие моделью, что привело к шести возможным периодическим решениям, два из которых напоминали два разных типа полета, как у гепарда, галопирующего, и четыре напоминали только один тип полета, не похожий на гепардов. Эти решения были основаны на критериях, связанных с силами реакции земли, которые были предоставлены решениями.

Критерии были затем проверены с измеренными данными гепардов, и команда обнаружила, что галоп гепарда в реальном мире удовлетворял критерию для двух типов полета через сгибание позвоночника.

Все это привело к тому, что исследователи получили свежее представление о скорости гепардов. Периодические решения также показали, что галоп лошади включает собранный полет в результате ограниченного движения позвоночника, что означает, что чрезвычайно высокие скорости, достигаемые гепардами, являются результатом дополнительного расширенного полета и сгибания позвоночника.

“Хотя механизм, лежащий в основе этого различия в типах полета между видами животных, все еще остается неясным, наши находки расширяют понимание динамических механизмов, лежащих в основе высокоскоростного движения у гепардов. Кроме того, они могут быть применены к механическому и контрольному проектированию роботизированных ног в будущем”, – говорит доктор Камимура.