Нова модель досліджує високошвидкісний рух у гепардів, наблизивши нас до роботів з кінцівками

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 найвищих швидкостях, і у них є два різних типи “політу”. Перший涉лює їхні передні та задні кінцівки під тілом і називається “зібраний політ”, тоді як інший涉лює їхні передні та задні кінцівки, витягнуті й називається “розтягнутий політ”.

Розтягнутий 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, оскільки вони чергують згинання та розтягування в зібраних та розтягнутих режимах, і це дозволяє високошвидкісний рух. Незважаючи на все це знання, ми все ще не розуміємо багато про динаміку, відповідальну за ці можливості.

Фази бігу тварин

Доктор Томоя Камімура в Інституті технологій Нагої, Японія, спеціалізується на інтелектуальній механіці та русі.

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

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

“Через такі складні та гібридні динаміки спостереження можуть привести нас тільки так далеко у розгадуванні механізмів, що лежать в основі динаміки бігу тварин”, – продовжує доктор Камімура.

Комп’ютерне моделювання приносить розуміння

Для того, щоб краще зрозуміти динамічний погляд на рух тварин та рух 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, що відбувається під час галопу, тому команда дослідників провела дослідження, опубліковане в Scientific Reports, опираючись на просту модель, що імітує вертикальний та рух хребта.

Дослідження команди涉ливало двовимірну модель, що складається з двох твердих 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 розв’язала спрощені рівняння руху, що керували моделлю, що привело до шести можливих періодичних рішень, два з яких нагадували два різних типи польоту, як гепард галопує, і чотири нагадували тільки один тип польоту, на відміну від гепардів. Це було засновано на критеріях, пов’язаних з силами реакції землі, які були надані рішеннями.

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

Все це привело до того, що дослідники отримали нове розуміння швидкості гепардів. Періодичні рішення також показали, що галоп коня涉лює зібраний політ у результаті обмеженого руху хребта, що означає, що надзвичайно високі швидкості, яких досягають гепарди, є результатом додаткового розтягнутого 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 механічного та контролю дизайну роботів з кінцівками в майбутньому”, – говорить доктор Камімура.