猎豹的奔跑速度为何如此之快？

猎豹是陆地上奔跑速度最快的捕食者，速度就是它们生存的利器。猎豹有着强壮而敏捷的四肢，流线型的躯体，加上它们有强大的心脏和肺部为提供氧气和能量，这一切的生理机能给了它们其他动物无法匹敌的超高速度。

猎豹的最高时速能够达到115公里/小时，但它们的身体构造即给了它们优势，有时候也会成为它们的劣势——猎豹在高速状态下最多只能保持3分钟，如果超出极限，它们很有可能会因身体过热而死。

因此，猎豹一次高速奔跑时间不会超过1分钟，如果在1分钟内追不到猎物它们一般会选择放弃，因为那是非常浪费体力的行动。一般而言，平均每只猎豹每次追捕的成功率只有1/6，即每6次追捕只有一次成功。

猎豹的奔跑速度为何这么快？除了上面提到的猎豹专为速度而生的身体构造外，科学家们还发现猎豹的步态与其他动物有很大的区别。在一项研究中，科学家们想知道，同时为速度而生的动物，为何马跑得没猎豹那么快。正是在对马和猎豹的对比中，科学家们发现了猎豹那独特的步态。

来自日本名古屋理工学院的智能力学和运动研究专家，镰村友也博士(TomoyaKamimura)发现猎豹的两种步态：一种是前肢发力后，前肢和后肢聚拢在一起，处于身体下方，称为“聚集飞行”(因为此时猎豹四肢离地，全身在空中)；另一种被称为“延展飞行”，猎豹的四肢分别向前后延伸。

“聚集飞行”

而“延展飞行”是猎豹跑得快的主要原因，这种步态满足特定条件的地面反作用力，但其他以速度为生的动物，却没有这种步态，比如马。此外，猎豹在“飞行”中表现出明显的脊柱运动，分别以聚集和伸展的方式在弯曲和伸展之间交替，这有助于它的高速运动。然而，人们对这些能力的动力机制知之甚少。

镰村友也博士解释说：“所有动物的奔跑都由飞行阶段(四肢离地)和站位阶段(四肢接触地面)组成，每个阶段都有不同的动力。在飞行阶段，所有的脚都在空中，整个身体的重心表现出弹道运动的迹象。相反，在站位阶段，身体通过脚接受地面的反作用力。”

“延展飞行”

研究人员转向计算机建模，以获得一个更好的关于动物在奔跑时的步态和脊柱运动的动态观察角度，并取得了显著的成功。在这样的背景下，镰村友也博士和他的同事在研究中，利用一个模拟垂直和脊柱运动的简单模型解决了很多问题。

在他们的研究中，研究小组采用了一个二维模型，由两个刚体和两个无质量的杆(代表猎豹的腿)组成，身体通过一个关节连接，以复制脊柱的弯曲运动和扭转弹簧。此外，他们假定前后对称，赋予前后腿相同的动力作用。

通过求解这个模型的简化运动方程，研究小组得到了六个可能的周期解，其中两个有两种不同的步态，其他四个只有一种步态，这些周期解都基于解决方案本身提供的与地面反作用力相关的标准。研究人员随后用实测的猎豹数据验证了这些标准，揭示了在现实世界中奔跑的猎豹确实通过脊柱弯曲满足了两种步态的标准。

此外，周期解还显示，由于脊柱运动受限，马这种动物只涉及“聚集飞行”这种步态，而猎豹的脊柱能做到很大程度的弯曲，这使得它们能够使用“延展飞行”这种步态，使它们成为奔跑速度最快的动物。

通过研究猎豹独特的步态，研究人员得到更多的设计灵感，对未来的机器人设计有着很好的启发。