Ny modell utforskar höghastighetsrörelse hos geparder, vilket bringar oss närmare benbaserade robotar

Geparder är de snabbaste landlevande däggdjuren, men vi vet fortfarande inte exakt varför. Vi har insikt i hur, såsom användningen av en “galopperande” gång vid deras högsta hastigheter, och de har två olika typer av “flykt”. Den första innefattar deras framben och bakben under kroppen och kallas “samlad flykt”, medan den andra innefattar deras framben och bakben utsträckta och kallas “utsträckt flykt”.

Den utsträckta flykten är ansvarig för att göra det möjligt för geparder att nå höga hastigheter, men exakt hur snabbt beror på markkrafter och specifika förhållanden. Geparder visar också på anmärkningsvärd rygg-rörelse under flykt när de alternerar mellan att böja och sträcka sig i samlad och utsträckt läge, och detta möjliggör höghastighetslokomotion. Trots all denna kunskap förstår vi fortfarande inte mycket om dynamiken som ligger till grund för dessa förmågor.

Löpningsfaser hos djur

Dr. Tomoya Kamimura vid Nagoya Institute of Technology, Japan, specialiserar sig på intelligent mekanik och lokomotion.

“All djurs löpning består av en flyktfas och en ståndfas, med olika dynamik som styr varje fas”, förklarar Dr. Kamimura.

Flyktfasen innefattar att alla fötter är i luften och kroppens tyngdpunkt uppvisar ballistisk rörelse. Under ståndfasen absorberas markreaktionskrafterna av kroppen genom fötterna.

“På grund av sådan komplex och hybrid dynamik kan observationer bara ta oss så långt i att avslöja de mekanismer som ligger till grund för djurs löpningsdynamik”, fortsätter Dr. Kamimura.

Datormodellering ger insikt

För att få en bättre förståelse för den dynamiska perspektiven på djurs gång och rygg-rörelse under löpning, har forskare förlitat sig på datormodellering med enkla modeller, och det har varit extremt framgångsrikt.

Med det sagt, har det fortfarande inte funnits många studier som undersöker de typer av flykt och ryggrörelse som sker under galoppering, så forskarteamet genomförde en studie publicerad i Scientific Reports, som förlitade sig på en enkel modell som emulerade vertikal och ryggrörelse.

Teamets studie innefattade en tvådimensionell modell bestående av två styva kroppar och två masslösa stänger, som representerade gepardens ben. Kropparna var sammankopplade med en led, som replikerade ryggens böjningsrörelse, och en vridande fjäder. Teamet tilldelade också identiska dynamiska roller till framben och bakben.

Teamet löste de förenklade rörelseekvationerna som styrde modellen, vilket ledde till sex möjliga periodiska lösningar, varav två liknade två olika flykttyper, som en gepard som galopperar, och fyra liknade endast en flykttyp, till skillnad från geparder. Dessa baserades på kriterierna relaterade till markreaktionskrafterna, som tillhandahölls av lösningarna.

Kriterierna verifierades sedan med mätdata från geparder, och teamet fann att gepardens galoppering i den verkliga världen uppfyllde kriteriet för två flykttyper genom rygg-böjning.

Allt detta ledde till att forskarna fick ny insikt i gepardernas hastighet. De periodiska lösningarna avslöjade också att hästars galoppering innefattar samlad flykt som ett resultat av begränsad ryggrörelse, vilket innebär att de extremt höga hastigheter som geparder uppnår är ett resultat av ytterligare utsträckt flykt och rygg-böjning.

“Medan mekanismen bakom denna skillnad i flykttyper mellan djurarter fortfarande är oklar, utvidgar våra fynd förståelsen av de dynamiska mekanismerna bakom höghastighetslokomotion hos geparder. Dessutom kan de tillämpas på den mekaniska och kontroll-designen av benbaserade robotar i framtiden”, säger Dr. Kamimura.