Modeller af dinosaurbevægelser kan hjælpe os med at bygge stærkere robotter og bygninger

Fra omkring 245 til 66 millioner år siden, dinosaurer strejfede rundt på jorden. Selvom velbevarede skeletter giver os en god idé om, hvordan de så ud, måden deres lemmer fungerede på er stadig et større mysterium. Men computersimuleringer kan snart give et realistisk indblik i, hvordan nogle arter bevægede sig og informerer om arbejde inden for områder som robotteknologi, protetik og arkitektur.

John Hutchinson, en professor i evolutionær biomekanik fra Royal Veterinary College i Hertfordshire, Storbritannien, og hans kolleger undersøger bevægelsen af ​​de tidligste, små dinosaurer, som en del af det fem år lange Dawndinos-projekt, der startede i 2016.

"Disse dinosaurer er blevet enormt forsømt, " Prof. Hutchinson sagde. "Folk - inklusive mig - har for det meste studeret de kendte dinosaurer som T. rex ."

For omkring 225 millioner år siden, i den sene trias periode, disse små dinosaurer var i mindretal, hvorimod de større krokodillelignende dyr, der levede ved siden af ​​dem, var mere talrige og forskelligartede. Dinosaurer fortsatte på en eller anden måde med at trives, mens de fleste andre dyr fra den periode uddøde.

Sammenlignet med deres firbenede, tungt byggede samtidige, Det der skiller sig ud ved disse tidlige dinosaurer er, at de havde en oprejst kropsholdning og kunne, i det mindste med mellemrum, gå på to lemmer. En teori er, at deres bevægelsesstil gav dem en overlevelsesfordel.

"Ideen med dette projekt er at teste den idé, " sagde prof. Hutchinson.

Holdet er begyndt at udvikle computersimuleringer for at vurdere, hvordan 11 forskellige arter af uddøde arkosaurer – den gruppe af dyr, der inkluderer krokodiller, fugle, deres slægtninge og dinosaurer - måske er flyttet. De vil fokusere på fem forskellige typer bevægelse:gang, løb, dreje, hoppe og stå.

Simuleringer

For at teste, om deres simuleringer er nøjagtige, forskerne planlægger også at give deres nulevende slægtninge – krokodiller og fugle – samme behandling. De vil derefter sammenligne resultaterne med faktiske målinger af bevægelse for at bestemme, hvor gode deres computermodeller af uddøde dyr er.

"Det vil være første gang, vi grundsandheden (tester med empirisk evidens) disse metoder meget strengt med de bedst mulige data, vi kan få, " sagde prof. Hutchinson.

Indtil nu, de har modelleret bevægelsen af ​​en Mussaurus – en tidlig fætter til kæmpe planteædende sauropoddinosaurer som f.eks Brontosaurus . Det Mussaurus var meget mindre, og forskerne ville se, om den bevægede sig på fire ben ligesom sine større slægtninge. De første rekonstruktioner af dyret havde det på fire ben, fordi det havde ret store arme, sagde prof. Hutchinson.

Ved hjælp af scanninger af velbevarede fossiler fra Argentina, de var i stand til at producere nye modeller af dens bevægelse. Prof. Hutchinson og hans team fandt ud af, at det faktisk var tobenet. Den kunne ikke have gået på fire ben, da håndfladerne på dens forreste lemmer vendte indad, og underarmsleddene ikke var i stand til at rotere nedad. Derfor, den ville ikke have været i stand til at plante sine forben på jorden.

"Det var først, da vi satte knoglerne sammen i et 3D-miljø og prøvede at lege med deres bevægelser, at det blev klart for os, at dette ikke var et dyr med meget mobile arme og hænder, " sagde prof. Hutchinson.

Robotik

De simuleringer, der blev produceret under projektet, kunne være nyttige for zoologer. Men de kunne også have mindre indlysende applikationer, for eksempel, hjælper med at forbedre, hvordan robotter bevæger sig, ifølge prof. Hutchinson.

Nøjagtige modeller er nødvendige for at replikere dyrs bevægelse, som robotforskere ofte henter inspiration fra. Efterligner en krokodille, for eksempel, kunne være interessant at skabe en robot, der både kan svømme og gå på land.

Prof. Hutchinson bliver også jævnligt kontaktet af film- og dokumentarproducenter, som er interesserede i at bruge hans simuleringer til at skabe realistiske animationer. "Det er svært at gøre større, eller usædvanligt, dyr bevæger sig korrekt, hvis fysikken ikke er rigtig, " sagde prof. Hutchinson.

At forstå bevægelsen af ​​de allerstørste dinosaurer er målet med et projekt, der gennemføres af palæobiologiforsker Alexandra Houssaye og hendes kolleger fra Frankrigs Nationale Center for Videnskabelig Forskning og Nationalmuseet for Naturhistorie i Paris. Gennem deres Gravibone-projekt, som begyndte sidste år, de ønsker at fastgøre lemknogletilpasningerne, der tillader store dyr at bære et tungt skelet.

"Vi ønsker virkelig at forstå, hvad (knogletræk) er forbundet med at være massiv, " sagde Dr. Houssaye.

Massiv

Indtil nu, Forskning har vist, at de lange knogler i lemmerne på større dyr er mere robuste end hos mindre dyr. Men denne generelle tendens er kun blevet observeret overfladisk. De ydre og indre knoglestrukturer har tilpasset sig over tid for at hjælpe med at understøtte dyrenes vægt. For eksempel, der henviser til, at mindre landdyr har hule lemmeknogler, massive som elefanter, næsehorn og flodheste har bindevæv i midten.

Blandt de største dyr og deres forfædre er der også andre forskelle. Lemmeknoglerne af moderne næsehorn, for eksempel, er korte og tunge. Men deres forhistoriske slægtninge ringede Indricotherium , det største landpattedyr, der nogensinde har levet, havde et mindre tykt skelet. "Det er interessant at se, at den største ikke havde den mest massive (ramme), " sagde Dr. Houssaye.

Holdet studerer både levende og uddøde dyr, med fokus på elefanter, næsehorn, flodheste, forhistoriske pattedyr og dinosaurer såsom sauropoder – en gruppe, der omfatter de største landdyr gennem tiderne.

Indtil nu, de har sammenlignet hestes ankelknogler, tapirer, næsehorn og fossiler af næsehorns forfædre. De fandt ud af, at for dyr af samme masse var der forskelle afhængigt af, om de var korte og kraftige eller havde længere lemmer. Hos mindre tykke dyr, de to ankelknogler havde en tendens til at være mere adskilte, mens de var stærkere forbundet i dem, der var massivt bygget, sandsynligvis for at forstærke artikulationen.

"Det er ikke kun massen (af dyret), men hvordan massen er fordelt på kroppen, " sagde Dr. Houssaye. "For os var det interessant."

3-D modellering

Deres næste skridt vil være at scanne forskellige lemmerknogler og analysere deres indre struktur. De vil også bruge 3-D-modellering til at finde ud af, hvor meget vægt forskellige dele af knoglerne kan klare på forskellige steder, for eksempel.

Resultaterne fra projektet kunne være med til at gøre mere effektive proteser til mennesker og dyr, sagde Dr. Houssaye. Designere vil være i stand til bedre at forstå, hvordan forskellige funktioner i lemmerknogler, såsom tykkelse og orientering, forholde sig til deres styrke, gør dem i stand til at skabe materialer, der er lettere, men mere modstandsdygtige.

Tilsvarende Dr. Houssaye har også haft interesse fra byggebranchen, som leder efter nye typer materialer og mere effektive byggeteknikker. Søjler, der understøtter tunge bygninger, for eksempel, kunne laves ved at bruge mindre materiale ved i stedet at forbedre deres indre struktur.

"Hvordan et skelet tilpasser sig (til tung vægt) har konsekvenser for konstruktionen, "Dr. Houssaye sagde. '(Arkitekter) forsøger at skabe strukturer, der er i stand til at bære tung vægt."