新模型探索猎豹高速运动，带我们更近一步到达腿式机器人

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得这么快。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开来，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，会进行弯曲和伸展，这使得高速运动成为可能。尽管我们已经了解了这么多关于猎豹运动的知识，我们仍然不了解太多关于这些能力背后的动力学。

动物的奔跑阶段

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。他解释说：“所有动物的奔跑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。”

飞行阶段涉及所有脚离开地面，身体的重心表现出弹道运动。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奔跑动力学的机制方面走到一定的程度，”Kamimura博士继续说。

计算机建模带来洞察力

为了更好地理解动物步态和脊柱运动的动力学视角，研究人员依靠简单模型的计算机建模，这已经非常成功。

然而，关于猎豹在galloping过程中飞行和脊柱运动的研究还很少，所以研究团队开展了一项研究，发表在Scientific Reports，使用一个模拟垂直和脊柱运动的简单模型。

该研究团队的研究涉及一个由两个刚体和两个无质量杆组成的二维模型，代表猎豹的腿。这些身体通过一个模拟脊柱弯曲运动的关节和一个扭转弹簧连接起来。该团队还为前腿和后腿分配了相同的动力学角色。

该团队解决了控制模型的简化运动方程，得出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，类似于猎豹的galloping，另外四个只类似于一种飞行类型，不像猎豹。这些基于地面反应力，根据解提供的标准。

然后，标准被验证与测量的猎豹数据，团队发现猎豹在现实世界中的galloping满足了通过脊柱弯曲的两个飞行类型的标准。

所有这些导致研究人员对猎豹的速度有了新的洞察力。周期解也显示，马的galloping涉及收集飞行，这是由于脊柱运动受到限制，这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的结果。

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