Хотя птицы созданы в первую очередь для полета, ученые выяснили, что виды, которые преимущественно живут на суше и снуют по ней, также являются одними из самых сложных бегунов среди любых двуногих наземных животных. Эти характеристики могли развиваться со времен динозавров и, как некоторые сказали бы, сейчас превосходят возможности других двуногих бегунов, включая людей.В исследовании, опубликованном сегодня в Журнале экспериментальной биологии, исследователи из Университета штата Орегон, Королевского ветеринарного колледжа и других учреждений рассказывают, как бегущие птицы достигли впечатляющей способности бегать при минимальных затратах энергии, предотвращении падений или травм и сохранении скорости и направление.«Птицы кажутся лучшими из двуногих наземных бегунов, их скорость и ловкость могут проследить 230 миллионов лет назад до их предков-динозавров», — сказал Джонатан Херст, доцент и эксперт по робототехнике Инженерного колледжа ОГУ.
Бегущие птицы бывают самых разных размеров: от крошечных перепелов до страуса, масса тела которого в 500 раз больше. Большинство, но не все, умеют летать, но проводят большую часть своей жизни на земле, и они не всегда выглядят изящно во время бега. Но исследователи обнаружили, что они максимизируют результаты, сохраняя при этом свои приоритеты — экономят энергию и не ломают ногу.В дикой природе травма может привести к нападению хищника и смерти; Точно так же, когда пищевые ресурсы ограничены, экономия движения имеет важное значение.
«Этих животных не волнует, что они выглядят немного неустойчивыми или у них шаткая походка», — сказал Херст. «Их настоящая цель — ограничить пиковые нагрузки, избежать падений, быть в безопасности и быть максимально эффективными. Если в результате кажется, что их верхняя часть тела немного покачивается, это нормально.
То, что они делают, действительно довольно элегантно».Еще более удивительно то, что самые разные виды наземных птиц с очень разными размерами тела используют по существу одну и ту же стратегию для выполнения этих иногда противоречивых задач. Чтобы перепрыгивать через препятствия на неровной поверхности, они используют движение, которое примерно на 70 процентов представляет собой «прыжковое» движение по мере приближения к препятствию, и на 30 процентов — более наклонную позу при нахождении на вершине препятствия.«Эволюция сформировала бегущих птиц всех размеров и скелетов, — сказал Кристиан Хубики, докторант штата Орегон, соавтор исследования. «Но мы обнаружили, что их поведение в том, как они бегают, по существу одинаковое».
В сотрудничестве с Моникой Дейли из Королевского ветеринарного колледжа в Лондоне исследователи изучили пять видов птиц и разработали компьютерную модель в Лаборатории динамической робототехники OSU, которая полностью соответствует этому поведению.«В конечном итоге мы должны быть в состоянии закодировать это понимание в роботах на ногах, чтобы роботы могли работать с большей скоростью и маневренностью в пересеченной местности», — сказал Хубицки. «Эти идеи могут также помочь нам понять поведение при ходьбе и беге всех общих предков, включая динозавров-теропод, таких как велоцираптор».
Исследователи начали исследование с гипотезы о том, что стабильность тела будет приоритетом, поскольку это может помочь избежать падений и травм ног. Однако они обнаружили не это.Вместо этого у бегущих птиц другое определение устойчивости — они избегают падений, но также позволяют верхней части тела некоторых подпрыгивать, пока они не падают.
Подобно карабкающемуся футбольному бегуну, их движения ног могут иногда ускоряться или замедляться, чтобы оставаться в вертикальном положении, преодолевать препятствия и, как правило, оставаться на курсе туда, куда они идут. Процесс не всегда красивый, но он функциональный.Крупные животные ограничены силой своих ног, потому что пиковые нагрузки увеличиваются с увеличением массы тела, и они бегают с более прямыми ногами, чтобы компенсировать это.
Но основной подход, который используют большие птицы для бега, аналогичен бегу гораздо более мелких птиц, и остается очень эффективным.Современные роботы, напротив, обычно строятся с упором на полную стабильность, что часто включает поддержание устойчивой походки. Это может быть энергоемким и иногда ограничивать их мобильность.
Ученые сказали, что роботы могут научиться у бегающих птиц: отклоняться от обычных устойчивых движений — это нормально, потому что это не обязательно означает, что вы собираетесь что-то упасть или сломать. Подходы к роботизированному управлению «должны охватывать более расслабленное понятие стабильности, оптимизируя динамику на основе приоритетов на уровне ключевых задач без кодирования явного предпочтения устойчивой походки», — заявили исследователи в своем заключении.
Соавторы исследования были из Королевского ветеринарного колледжа Соединенного Королевства. Работа была поддержана Исследовательским советом по биотехнологии и биологическим наукам Соединенного Королевства и программой Human Frontier Science Programme.
«Бегущие роботы будущего будут выглядеть намного менее роботизированными», — сказал Херст. «Они будут более подвижными, как биологические системы в природе. Мы не обязательно пытаемся копировать животных, но мы действительно хотим соответствовать их способностям».
