新模型探索猎豹高速运动，带我们更接近腿式机器人

猎豹是陆地上最快的哺乳动物，但我们仍然不知道它们为什么能跑这么快。我们已经了解到它们如何实现高速运动，例如使用“galloping”步态，以及它们有两种不同的“飞行”方式。第一种涉及它们的前肢和后肢在身体下方，称为“gathered flight”，而第二种涉及它们的前肢和后肢伸展，称为“extended flight”。

扩展飞行使猎豹能够达到高速，但确切的速度取决于地面力和特定条件。猎豹在飞行过程中也表现出显著的脊柱运动，当它们在收集和扩展模式之间交替时，会弯曲和伸展，这使得高速运动成为可能。尽管我们已经了解了这些知识，我们仍然不太了解这些能力背后的动力学。

动物的运行阶段

日本名古屋工业技术研究所的Tomoya Kamimura博士专门研究智能机械和运动。

“所有动物的运行都包括飞行阶段和支撑阶段，不同的动力学支配着每个阶段，”Tomoya Kamimura博士解释道。

飞行阶段涉及所有脚离开地面，身体的质心表现出弹道运动。在支撑阶段，地面反应力通过脚被身体吸收。

“由于这种复杂和混合的动力学，观察只能让我们在揭示动物运行动力学的机制方面取得一定的进展，”Tomoya Kamimura博士继续说。

计算机建模带来洞察

为了更好地理解动物步态和脊柱运动的动力学视角，研究人员依赖于使用简单模型的计算机建模，这非常成功。

话虽如此，研究人员还没有对猎豹飞行和脊柱运动进行太多的研究，所以研究团队进行了一项研究，发表在 Scientific Reports， 依赖于模拟垂直和脊柱运动的简单模型。

研究团队的研究涉及一个二维模型，包括两个刚体和两个无质量的杆，代表猎豹的腿。刚体通过一个关节连接，模拟脊柱的弯曲运动，并且有一个扭转弹簧。研究团队还为前后腿分配了相同的动力学角色。

研究团队解出了控制模型的简化运动方程，得到了六个可能的周期解，其中两个类似于两种不同的飞行类型，像猎豹的galloping一样，另外四个只类似于一种飞行类型，不像猎豹。这些都是基于地面反应力提供的解的标准。

标准随后通过测量的猎豹数据进行了验证，研究团队发现，现实世界中的猎豹galloping满足了通过脊柱弯曲的两种飞行类型的标准。

所有这些使研究人员对猎豹的速度有了新的洞察。周期解还表明，马的galloping涉及收集飞行，这是由于受限的脊柱运动，意味着猎豹实现的极高速度是由于额外的扩展飞行和脊柱弯曲所致。

“虽然动物物种之间的飞行类型差异的机制仍然不清楚，但我们的发现扩展了我们对猎豹高速运动的动力学机制的理解。另外，它们可以应用于未来腿式机器人的机械和控制设计，”Tomoya Kamimura博士说。