Mô hình mới khám phá chuyển động tốc độ cao ở Cheetah, đưa chúng ta đến gần hơn với Robot chân

Cheetah là động vật có vú trên cạn nhanh nhất, nhưng chúng ta vẫn chưa biết chính xác tại sao. Chúng ta có cái nhìn sâu sắc về cách chúng di chuyển, chẳng hạn như sử dụng một “gait galloping” ở 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 kéo dài”.

Chuyến bay kéo dài chịu trách nhiệm cho phép cheetah đạt tốc độ cao, nhưng chính xác tốc độ nhanh đến mức nào phụ thuộc vào lực mặt đất và điều kiện cụ thể. Cheetah cũng thể hiện chuyển động cột sống đáng chú ý trong chuyến bay khi chúng thay đổi giữa việc uốn cong và kéo dài trong các chế độ thu thập và kéo dài, và điều này cho phép di chuyển tốc độ cao. Mặc dù chúng ta đã có tất cả kiến thức này, nhưng chúng ta vẫn chưa hiểu nhiều về động lực học chịu trách nhiệm cho những khả năng này.

Phases 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 động vật chạy tạo thành một giai đoạn bay và một giai đoạn đứng, với các động lực học khác nhau điều khiển mỗi giai đoạn,” Tiến sĩ Kamimura giải thích.

Giai đoạn bay liên quan đến tất cả chân ở không trung và trọng tâm của toàn bộ cơ thể thể hiện chuyển động bóng.

“Do các động lực học phức tạp và lai này, quan sát chỉ có thể giúp chúng ta hiểu được cơ chế cơ bản của động lực học chạy của động vật,” Tiến sĩ Kamimura tiếp tục.

Mô hình máy tính mang lại cái nhìn sâu sắc

Để có được một sự hiểu biết tốt hơn về quan điểm động của bước đi động vật và chuyển động 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 rất thành công.

Tuy nhiên, vẫn chưa có nhiều nghiên cứu khám phá các loại chuyến bay và chuyển động cột sống diễn ra trong quá trình galloping, vì vậy nhóm nghiên cứu đã thực hiện một nghiên cứu được công bố trên Scientific Reports, dựa trên một mô hình đơn giản bắt chước chuyển động thẳng đứng và cột sống.

Nghiên cứu của nhóm bao gồm một mô hình hai chiều gồm hai vật thể cứng và hai thanh không có khối lượng, đại diện cho chân của cheetah.

Các vật thể được kết nối bởi một khớp, mô phỏng chuyển động uốn cong của cột sống, và một lò xo xoắn.

Nhóm cũng đã chỉ định các vai trò động lực học giống nhau cho chân trước và chân sau.

Nhóm đã giải các phương trình chuyển động đơn giản hóa điều khiển mô hình, dẫn đến sáu giải pháp tuần hoàn có thể, hai trong số đó giống như hai loại chuyến bay khác nhau, giống như cheetah galloping, và bốn giống như chỉ một loại chuyến bay, không giống như cheetah.

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

Tất cả điều này đã dẫn đến việc các nhà nghiên cứu có được cái nhìn sâu sắc mới về tốc độ của cheetah.

Các giải pháp tuần hoàn cũng cho thấy rằng galloping của ngựa liên quan đến chuyến bay thu thập do chuyển động cột sống bị hạn chế, có nghĩa là tốc độ cực kỳ cao đạt được bởi cheetah là kết quả của chuyến bay kéo dài và uốn cong cột sống bổ sung.

“Mặc dù cơ chế cơ bản của sự khác biệt trong các loại chuyến bay giữa các loài động vật vẫn còn chưa rõ ràng, những phát hiện của chúng tôi mở rộng sự hiểu biết về các cơ chế động lực học cơ bản của di chuyển tốc độ cao ở cheetah.

Hơn nữa, chúng có thể được áp dụng cho thiết kế cơ học và điều khiển của robot chân trong tương lai,” Tiến sĩ Kamimura nói.