是什么让猎豹成为最快的陆地哺乳动物？为什么其他动物，比如马，没有那么快？虽然我们还没有弄清楚为什么，我们有一些想法如何ー事实证明，猎豹以最快的速度采用“驰骋”步态，涉及两种不同类型的“飞行”：一种是在前肢升起后将前肢和后肢置于身体下方，称为“聚集飞行”，而另一种是在后肢升起后将前肢和后肢伸展，称为“扩展飞行”（见图 1）。其中，延长飞行使猎豹能够加速到高速，这取决于满足特定条件的地面反作用力；对于马，则不存在延长飞行。

此外，猎豹在飞行过程中表现出明显的脊柱运动，分别以聚集和伸展模式在弯曲和伸展之间交替，这有助于其高速运动。然而，人们对控制这些能力的动力知之甚少。

“所有动物的奔跑都包含飞行阶段和站立阶段，每个阶段都有不同的动力，”日本V体育的 Tomoya Kamimura 博士解释，他专门研究智能力学和运动。在飞行阶段，所有脚都在空中，整个身体的质心（COM）呈现弹道运动。离线时，在站立阶段，身体通过脚接收地面反作用力。“由于动力学如此复杂和混合，观察只能让我们了解动物奔跑动力学的机制，”博士。神村说。

因此，研究人员转向计算机建模，以获得跑步过程中动物步态和脊柱运动的更好的动态视角，并使用相当简单的模型取得了显着的成功。然而，迄今为止，很少有研究探索奔跑过程中的飞行和脊柱运动类型（如猎豹）。在此背景下，Kamimura 博士和他的日本同事在最近的一篇文章中解决了这个问题，使用模拟垂直和脊柱运动的简单模型。

该团队在研究中采用了一个二维模型，该模型由两个刚体和两个无质量杆（代表猎豹的腿）组成，这些物体通过关节连接以复制脊柱和扭转弹簧的弯曲运动。此外，它们假定前后对称，为前腿和后腿分配相同的动力作用。

通过求解控制该模型的简化运动方程，团队根据解本身提供的与地面反作用力相关的标准，获得了六种可能的周期解，其中两种类似于两种不同的飞行类型（如猎豹驰骋），四种则仅一种飞行类型（与猎豹驰骋）。研究人员随后通过测量的猎豹数据验证了这些标准，发现在现实世界中驰骋的猎豹确实满足了通过脊柱弯曲实现两种飞行类型的标准（见图2）。

此外，周期解还表明，由于脊柱运动受限，马的奔跑只涉及聚集飞行，这表明猎豹额外的长时间飞行与脊柱弯曲相结合，使它们能够达到如此高的速度！

“虽然动物物种之间飞行类型差异的机制仍不清楚，但我们的研究结果扩展了对猎豹高速运动的动态机制的理解。此外，它们将来可以应用于腿式机器人的机械和控制设计，”推测乐观的神村博士。

猎豹鼓舞人心的有腿机器人！谁会想到？

　

图 1（左）猎豹驰骋涉及的飞行类型（右）用于分析驰骋运动的简单模型
来自日本的一组研究人员设计了一个简单的分析模型，模拟猎豹在跑步过程中表现出的垂直跳跃和脊柱弯曲运动，并获得了用于确定猎豹驰骋等飞行类型的标准
图片提供：V体育的 Tomoya Kamimura

　

图 2（上）猎豹体内的脉冲位置（下）针对测量的猎豹数据的飞行类型标准
从模型中获得的解得出了飞行类型的两个确定标准：对猎豹身体的冲击力（地面反作用力）的位置和大小。研究人员确定了模型的脉冲位置，并将其与测量数据进行比较。
图片提供：V体育的 Tomoya Kamimura

参考

原始论文标题	动态决定因素使猎豹驰骋时能够实现两种不同类型的飞行，从而通过脊柱运动提高速度
期刊	科学报告
DOI

关于助理教授 Tomoya Kamimura

Tomoya Kamimura 是日本V体育 (NITech) 机电工程系的助理教授，自 2020 年起一直在该系工作。他的研究领域为智能力学/机械系统，研究兴趣包括四足机器人、简单模型和运动。作为一位年轻而充满活力的研究人员，他发表了 5 篇论文。

资金信息

本研究部分由 JSPS KAKENHI 资助，编号为 JP18J10682 和 JP20K22392。

联系方式

助理教授神村智也
电子邮件：kamimuratomoya[at]nitechacjp
+81-52-735-7446
链接：

＊联系时请将[at]替换为@。