Новая модель изучает высокоскоростное движение в читах, приближая нас к роботам с ногами

Читы – самые быстрые наземные млекопитающие, но мы до сих пор не знаем точно, почему. У нас есть представление о том, как они движутся, например, использование “галопирующего” аллюра на максимальных скоростях, и у них есть два разных типа “полета”. Первый включает их передние и задние конечности под телом и называется “собранным полетом”, а второй включает их передние и задние конечности, вытянутые и называемые “расширенным полетом”.

Расширенный полет отвечает за возможность читам достигать высоких скоростей, но точная скорость зависит от сил, действующих на землю, и конкретных условий. Читы также демонстрируют заметные движения позвоночника во время полета, когда они чередуют сгибание и растяжение в собранном и расширенном режимах, что позволяет высокоскоростному движению. Несмотря на все это знание, мы до сих пор не понимаем многое о динамике, ответственной за эти способности.

Фазы бега у животных

Доктор Томоя Камимура из Нагойского технологического института, Япония, специализируется на интеллектуальной механике и движении.

“Все животные бегают в фазе полета и фазе 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 понимании механизмов, лежащих в основе динамики бега животных”, – продолжает доктор Камимура.

Компьютерное моделирование дает представление

Чтобы лучше понять динамический аспект аллюра и движения позвоночника во время бега, исследователи полагались на компьютерное моделирование с простыми моделями, и это было очень успешно.

Однако еще не было многих исследований, изучающих типы полета и движение позвоночника во время галопирования, поэтому исследовательская группа провела исследование, опубликованное в Scientific Reports, полагаясь на простую модель, имитирующую вертикальное и движение позвоночника.

Исследование команды включало двухмерную модель, состоящую из двух жестких тел и двух безмассовых стержней, представляющих ноги читы. 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 чита, галопирующая, и четыре напоминали только один тип полета, не похожий на читу. Эти решения были основаны на критериях, связанных с силами реакции земли, которые были предоставлены решениями.

Критерии были затем проверены с измеренными данными читы, и команда обнаружила, что галопирование читы в реальном мире удовлетворяло критерию для двух типов полета через сгибание позвоночника.

Все это привело исследователей к новым представлениям о скорости читы. Периодические решения также показали, что галопирование лошади включает собранный полет в результате ограниченного движения позвоночника, что означает, что чрезвычайно высокие скорости, достигаемые читами, 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 читы. Кроме того, они могут быть применены к механическому и управляющему проектированию роботов с ногами в будущем”, – говорит доктор Камимура.