Кроме того, гепарды демонстрируют заметное движение позвоночника во время полета, чередуя сгибание и растяжение в собранном и вытянутом режимах соответственно, что способствует их высокоскоростному передвижению. Однако мало что известно о динамике, управляющей этими способностями.

"Любой бег животных представляет собой фазу полета и фазу стойки, причем каждая фаза характеризуется разной динамикой", - объясняет доктор Томоя Камимура из Нагойского технологического института, Япония, который специализируется на интеллектуальной механике и передвижении. Во время фазы полета все ноги находятся в воздухе, а центр масс (COM) всего тела совершает баллистическое движение. И наоборот, во время фазы стойки тело получает силы реакции от земли через ноги. "Из-за такой сложной и гибридной динамики наблюдения могут помочь нам пока только в разгадке механизмов, лежащих в основе динамики бега животных", - говорит доктор Камимура.

Следовательно, исследователи обратились к компьютерному моделированию, чтобы получить лучшую динамическую перспективу походки животного и движения позвоночника во время бега, и добились замечательного успеха, используя довольно простые модели. Однако до сих пор в немногих исследованиях изучались типы полета и движения позвоночника во время галопа (как у гепарда). На этом фоне доктор Камимура и его коллеги из Японии рассмотрели этот вопрос в недавнем исследовании, опубликованном в Научные отчеты, используя простую модель, имитирующую вертикальное движение и движение позвоночника.

Команда в своем исследовании использовала двумерную модель, состоящую из двух твердых тел и двух безмассовых стержней (представляющих ноги гепарда), при этом тела соединены шарниром для воспроизведения изгибающего движения позвоночника и пружины кручения. Кроме того, они приняли передне-заднюю симметрию, отводя идентичные динамические роли передним и задним ногам.

Решая упрощенные уравнения движения, управляющие этой моделью, команда получила шесть возможных периодических решений, причем два из них напоминают два разных типа полета (например, скачущий гепард), а четыре - только один тип полета (в отличие от скачущего гепарда), основываясь на критериях, связанных с силами реакции земли, обеспечиваемыми решениями сами по себе. Затем исследователи проверили эти критерии с помощью измеренных данных о гепарде, показав, что гепард, скачущий галопом в реальном мире, действительно удовлетворял критерию для двух типов полета за счет изгиба позвоночника.

Кроме того, периодические решения также показали, что скачка лошади включает в себя только собранный полет из-за ограниченного движения позвоночника, предполагая, что дополнительный удлиненный полет у гепардов в сочетании с изгибом позвоночника позволил им достичь таких больших скоростей!

"Хотя механизм, лежащий в основе этого различия в типах полета между видами животных, все еще остается неясным, наши результаты расширяют понимание динамических механизмов, лежащих в основе высокоскоростного передвижения гепардов. Кроме того, в будущем они могут быть применены к механическому дизайну и управлению роботами на ножках", - оптимистично рассуждает доктор Камимура.

Гепарды вдохновляют четвероногих роботов! Кто бы мог подумать?