Нова модель дослідження високошвидкісного руху в гепардів, що наближає нас до роботів з ногами

Гепарди – найшвидші ссавці на суші, але ми все ще не знаємо точно, чому. У нас є уявлення про те, як вони рухаються, наприклад, використання “галопуючого” кроку на їхніх найбільших швидкостях, і вони мають два різних типи “політу”. Перший涉лює їх передні та задні кінцівки під тілом і називається “зібраним політом”, а інший涉лює їх передні та задні кінцівки, витягнуті й називається “розширеним політом”.

Розширений політ відповідає за те, щоб гепарди могли досягати високих швидкостей, але саме як швидко залежить від сил землі та конкретних умов. Гепарди також демонструють помітний рух хребта під час польоту, коли вони чергують згинання та розгинання в зібраних і розширених режимах, що дозволяє високошвидкісний рух. Незважаючи на все це знання, ми все ще не розуміємо багато про динаміку, яка відповідає за ці можливості.

Фази бігу в тварин

Доктор Томоя Камімура з Нагойського технологічного інституту, Японія, спеціалізується на інтелектуальній механіці та локомоції.

“Все тваринне бігу складається з фази польоту та фази стояння, з різними динамічними процесами, що керують кожною фазою”, – пояснює доктор Камімура.

Фаза польоту涉лює всі ноги, що знаходяться в повітрі, та центр маси всього тіла, який демонструє балістичний рух. Під час фази стояння сили реакції землі поглинаються тілом через ноги.

“Через такі складні та гібридні динамічні процеси, спостереження можуть привести нас лише до певної межі у розгадці механізмів, що лежать в основі бігу тварин”, – продовжує доктор Камімура.

Комп’ютерне моделювання надає уявлення

Для того, щоб краще зрозуміти динамічний аспект тваринного кроку та руху хребта під час бігу, дослідники покладалися на комп’ютерне моделювання з простими моделями, і це було дуже успішним.

З тим сказано, ще не було багатьох досліджень, що вивчали типи польоту та рух хребта, які відбуваються під час галопу, тому команда дослідників провела дослідження, опубліковане в Scientific Reports, залежно від простої моделі, що імітує вертикальний та рух хребта.

Дослідження команди涉ляло двовимірну модель, що складається з двох жорстких тіл та двох безмасових стержнів, які представляли ноги гепарда. Тіла були з’єднані шарніром, який повторював згинання хребта, та торсійною пружиною. Команда також призначила ідентичні динамічні ролі переднім та заднім ногам.

Команда вирішила спрощені рівняння руху, що керували моделлю, що привело до шести можливих періодичних рішень, два з яких нагадували два різних типи польоту, як гепард галопує, а чотири нагадували лише один тип польоту, на відміну від гепардів. Це було засновано на критеріях, пов’язаних із силами реакції землі, які були надані рішеннями.

Критерії були потім перевірені з виміряними даними гепарда, і команда виявила, що галоп гепарда в реальному світі задовольняє критерій для двох типів польоту через згинання хребта.

Все це привело до того, що дослідники отримали нове уявлення про швидкість гепардів. Періодичні рішення також показали, що галоп коня涉лює зібраний політ внаслідок обмеженого руху хребта, що означає, що надзвичайно високі швидкості, яких досягають гепарди, є результатом додаткового розширеного польоту та згинання хребта.

“Хоча механізм, що лежить в основі цієї різниці в типах польоту між видами тварин, все ще залишається неясним, наші знахідки розширюють розуміння динамічних механізмів, що лежать в основі високошвидкісного руху гепардів. Крім того, вони можуть бути застосовані до механічної та контрольної конструкції роботів з ногами в майбутньому”, – говорить доктор Камімура.