Mô hình mới khám phá chuyển động tốc độ cao ở loài báo đốm, đưa chúng ta gần hơn với robot đi bằng chân

Loài báo đốm là động vật có vú đi bộ nhanh nhất, nhưng chúng ta vẫn chưa biết chính xác tại sao. Chúng ta đã có cái nhìn sâu sắc về cách chúng di chuyển, chẳng hạn như sử dụng kiểu đi “nhảy” khi đạt tốc độ nhanh nhất, và chúng có hai loại “chuyến bay” khác nhau. Loại đầu tiên liên quan đến chi trước và chi sau dưới cơ thể và được gọi là “chuyến bay thu thập”, trong khi loại thứ hai liên quan đến chi trước và chi sau được kéo dài và được gọi là “chuyến bay mở rộng”.

Chuyến bay mở rộng chịu trách nhiệm cho phép báo đốm đạt tốc độ cao, nhưng chính xác bao nhiêu tùy thuộc vào lực mặt đất và điều kiện cụ thể. Loài báo đốm cũng thể hiện sự di chuyển cột sống đáng chú ý trong chuyến bay khi chúng xen kẽ giữa uốn cong và duỗi thẳng trong các chế độ thu thập và mở rộng, và điều này cho phép di chuyển với tốc độ cao. Mặc dù chúng ta đã có tất cả những kiến thức này, nhưng chúng ta vẫn chưa hiểu nhiều về động lực học chịu trách nhiệm cho những khả năng này.

Các giai đoạn chạy ở động vật

Tiến sĩ Tomoya Kamimura tại Viện Công nghệ Nagoya, Nhật Bản, chuyên về cơ học thông minh và di chuyển.

“Tất cả các động vật chạy đều bao gồm một giai đoạn bay và một giai đoạn đứng, với các động lực học khác nhau chi phối mỗi giai đoạn,” Tiến sĩ Kamimura giải thích.

Giai đoạn bay liên quan đến tất cả các chân đang ở trong không khí và trọng tâm của toàn bộ cơ thể thể hiện chuyển động弹道. Trong giai đoạn đứng, lực phản ứng mặt đất được cơ thể hấp thụ thông qua các chân.

“Do sự phức tạp và lai ghép của động lực học như vậy, quan sát chỉ có thể giúp chúng ta đến một mức độ nhất định trong việc giải mã các cơ chế nằm dưới sự di chuyển của động vật,” Tiến sĩ Kamimura tiếp tục.

Mô hình máy tính mang lại cái nhìn sâu sắc

Để có được một cái nhìn sâu sắc hơn về quan điểm động lực học của bước đi động vật và di chuyển cột sống trong khi chạy, các nhà nghiên cứu đã dựa vào mô hình máy tính với các mô hình đơn giản, và nó đã cực kỳ thành công.

Tuy nhiên, vẫn chưa có nhiều nghiên cứu về các loại chuyến bay và di chuyển cột sống xảy ra trong khi chạy, vì vậy nhóm nghiên cứu đã thực hiện một nghiên cứu được công bố trên Scientific Reports, dựa trên một mô hình đơn giản mô phỏng chuyển động thẳng đứng và cột sống.

Nghiên cứu của nhóm bao gồm một mô hình hai chiều bao gồm hai vật thể cứng và hai thanh không có khối lượng, đại diện cho chân của báo đốm. Các vật thể này được kết nối bởi một khớp, mô phỏng chuyển động uốn cong của cột sống, và một lò xo xoắn. Nhóm cũng gán các vai trò động lực học giống nhau cho cả chân trước và chân sau.

Nhóm đã giải quyết các phương trình chuyển động đơn giản hóa chi phối mô hình, dẫn đến sáu giải pháp tuần hoàn có thể, trong đó hai giải pháp giống với hai loại chuyến bay khác nhau, giống như báo đốm đang chạy, và bốn giải pháp giống với chỉ một loại chuyến bay, không giống như báo đốm. Những giải pháp này dựa trên các tiêu chí liên quan đến lực phản ứng mặt đất, được cung cấp bởi các giải pháp.

Tiêu chí này sau đó đã được xác minh với dữ liệu đo đạc của báo đốm, và nhóm đã tìm thấy rằng việc chạy của báo đốm trong thế giới thực thỏa mãn tiêu chí cho hai loại chuyến bay thông qua uốn cong cột sống.

Tất cả những điều này đã giúp các nhà nghiên cứu có được cái nhìn sâu sắc mới về tốc độ của báo đốm. Các giải pháp tuần hoàn cũng cho thấy rằng việc chạy của ngựa liên quan đến chuyến bay thu thập như một kết quả của chuyển động cột sống bị hạn chế, có nghĩa là tốc độ cực cao đạt được bởi báo đốm là kết quả của chuyến bay mở rộng và uốn cong cột sống thêm.

“Mặc dù cơ chế nằm dưới sự khác biệt này trong các loại chuyến bay giữa các loài động vật vẫn chưa rõ ràng, nhưng những phát hiện của chúng tôi mở rộng sự hiểu biết về các cơ chế động lực học nằm dưới sự di chuyển tốc độ cao ở báo đốm. Hơn nữa, chúng có thể được áp dụng cho thiết kế cơ học và điều khiển của robot đi bằng chân trong tương lai,” Tiến sĩ Kamimura nói.