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

Cheetaher 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 involverar deras framben och bakben under kroppen och kallas “samlad flykt”, medan den andra involverar deras framben och bakben utsträckta och kallas “utsträckt flykt”.

Den utsträckta flykten är ansvarig för att möjliggöra att cheetaher når höga hastigheter, men exakt hur snabbt beror på markkrafter och specifika förhållanden. Cheetaher visar också påtaglig rygg-rörelse under flykt när de alternerar mellan att böja och sträcka i samlad och utsträckt läge, och detta möjliggör höghastighetslokomotion. Trots all denna kunskap förstår vi fortfarande inte mycket om de dynamiska mekanismer 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.

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

Flyktfasen innebär att alla fötter är i luften och kroppens tyngdpunkt visar 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 djurens löpningsdynamik”, fortsätter Dr. Kamimura.

Datorbaserad modellering ger insikt

För att få en bättre förståelse av den dynamiska perspektiven på djurens gång och rygg-rörelse under löpning, har forskare förlitat sig på datorbaserad modellering med enkla modeller, och det har varit mycket framgångsrikt.

Med det sagt, har det ännu inte funnits många studier som undersöker de typer av flykt och rygg-rörelse som sker under galoppering, så forskarteamet genomförde en studie som publicerades i Scientific Reports, som förlitade sig på en enkel modell som imiterade vertikal och rygg-rörelse.

Teamets studie involverade en tvådimensionell modell bestående av två styva kroppar och två masslösa stänger, som representerade cheetahens ben. Kropparna var anslutna 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 cheetah som galopperar, och fyra liknade bara en flykttyp, till skillnad från cheetaher. Dessa baserades på kriterier relaterade till markreaktionskrafterna, som tillhandahölls av lösningarna.

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

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

“Medan mekanismen bakom denna skillnad i flykttyper mellan arter fortfarande är oklar, utvidgar våra fynd förståelsen av de dynamiska mekanismer som ligger till grund för höghastighetslokomotion hos cheetaher. Dessutom kan de tillämpas på den mekaniska och kontroll-designen av benbaserade robotar i framtiden”, säger Dr. Kamimura.