为什么猎豹是陆地上跑得最快的？ -数学模型阐明了通过弯曲和拉伸躯干实现高速跑步的机制-

演示要点

〇猎豹利用躯干的弯曲和伸展来高速奔跑，但其机械机制尚不清楚。
〇〇通过简单的力学模型和对猎豹测量数据的分析，我们阐明了猎豹特征性躯干弯曲和伸展的力学条件，以及提高奔跑速度的机制。
〇​简单模型的分析不仅有望加深我们对产生跑步运动的机械机构的理解，而且有助于提高未来腿式机器人的性能。

总结

猎豹是陆地上跑得最快的动物，其特点是能够弯曲和伸展鼻子（注1）。奔跑时所有腿都离开地面的时期称为“飞行期”。猎豹有两种飞行期：一种是弯曲躯干，另一种是伸展躯干。虽然马等动物只有弯曲鼻子的飞行期，但猎豹为何有两种飞行期的机械机制尚不清楚。
　V体育工学研究科助理教授植村智也、山口大学农学部教授和田直树、京都大学工学研究科苍井真也副教授、京都大学工学研究科松野文俊教授领导的研究小组利用猎豹的力学模型，从动态角度阐明了猎豹有两个飞行周期的机制。通过构建非常简单的机械模型并分析表达其运动，结果表明获得两种飞行周期的条件是由腿从地面受到的力（地面反作用力）决定的。此外，我们通过与猎豹奔跑的实测数据对比，证实了模型分析的有效性，并阐明了两种飞行周期实现高速奔跑的机制。

　像本研究这样使用简单机械模型的研究可以阐明产生动物运动的复杂机械机制背后的原理。此外，通过增进我们对动物运动的理解，预计这将有助于未来开发具有出色运动能力的腿式机器人。该成果于5月6日（日本时间）在线发表在英国学术期刊Scientific Reports上。

研究背景

猎豹是陆地上速度最快的动物，其奔跑的特点是躯干大幅度弯曲和伸展（注1）。观察研究表明，通过移动躯干，腿部来回移动得更多，从而实现更高的速度。奔跑时所有脚都离开地面的时期称为飞行期，猎豹有两种飞行期：一种是弯曲躯干，另一种是伸展躯干。虽然像马这样的动物只有一个弯曲鼻子的飞行周期，但猎豹拥有两个不同飞行周期的机制尚不清楚。此外，目前尚不完全了解这两种类型的飞行周期如何影响高速运行。
　在这项研究中，我们特别关注躯干的弯曲和伸展运动以及被认为是产生这种运动的主要因素的地面反作用力（注2），旨在从机械角度阐明猎豹具有两种飞行周期的机制以及它们如何有助于高速奔跑。

研究内容/结果

　动物的运动是由身体与环境之间复杂的相互作用产生的。为了发现运动背后的基本力学原理，在这项研究中，我们构建了一个非常简单的力学模型，仅提取躯干的弯曲、拉伸和垂直运动。通过分析表示该模型的运动，结果表明获得两种飞行周期运动的条件（图 1）是由施加到腿部的地面反作用力决定的（图 2）。
　我们还对比了猎豹奔跑的实测数据，确认实际运动过程中满足模型分析确定的条件。此外，还揭示了两个飞行周期缩短运动周期并实现高速运行的机制。这表明猎豹利用两种类型的飞行周期来达到陆地上的最高速度。

图1 具有两种飞行期的练习和仅具有弯曲躯干的飞行期的练习。

图2 猎豹运动计算地面反作用力作用点的结果
满足两种类型的飞行周期存在的条件。

社会意义

　使用像这样的简单机械模型的研究有望阐明产生动物运动的机械机制及其背后的原理。这与生物学角度的研究相辅相成，有助于更深入地了解动物运动。从工程角度来看，它也有望用于开发具有出色运动技能的腿式机器人。

未来发展

　不仅是猎豹，马也是一种可以高速奔跑的动物。众所周知，猎豹和马的奔跑形式存在各种差异，例如不同类型的飞行周期，但不同动物物种奔跑方式不同的机制尚不清楚。使用像本研究中使用的简单机械模型预计将成为理解有关实现动物运动机制的未解决问题的重要方法。
　此外，通过像本研究那样分析地理解运动，可以构建机器人设计理论。例如，未来设计机器人等人造物体时，应该将身体制作成多少重量和长度才能适应所需的运动？希望这将有助于在出现此类问题时确定设计指南。

术语表

（注1）躯干：相当于动物躯干的部分。

(注2) 地面反作用力：腿部从地面受到的力。

论文信息

论文标题：动态决定因素使猎豹驰骋时两种不同类型的飞行能够通过脊柱运动提高速度
作者姓名：Tomoya Kamimura、Shinya Aoi、Yasuo Higurashi、Naomi Wada、Kazuo Tsuchiya、Fumitoshi Matsuno
出版杂志名称：Scientific Reports
发布日期：2021 年 5 月 6 日（日本时间）
DOI：101038/s41598-021-88879-0
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