Mechanical self-stabilization, a working hypothesis for the study of the evolution of body proportions in terrestrial mammals?

Locomotion is a behaviour resulting from the interaction of the nervous and musculoskeletal systems and the environment. However, the musculoskeletal systems of some terrestrial mammals present an intrinsic ability to realize a dynamic stable locomotion. Current anthropomorphic passive walkers demonstrate that a pure mechanical system with legs and arms is able to walk down an inclined plane. Numerical simulations confirm that self-stabilization of the mechanics is acting in running too. The necessity to ensure the dynamic stability of a cyclic locomotion set physical constraints to the musculo-skeletal system. A description of the locomotor apparatus with neuromechanical variables like the stiffness – accessible to the experimentation – enables for maintaining the number of degrees of freedom of biomechanical models as low as possible. The maximization of the robustness of the mechanical self-stabilization of the models with regard to the body proportions represents for future simulations an optimization criterion that should bring a new light into the comprehension of the body proportions. To cite this article: R. Hackert et al., C. R. Palevol 5 (2006).

RésuméL'auto-stabilisation mécanique, une hypothèse de travail pour l'étude de l'évolution des proportions corporelles chez les mammifères terrestres. La locomotion résulte de l'interaction du système nerveux, du système ostéomusculaire et de l'environnement. Cependant, le système musculo-squelettique de certains mammifères terrestres apparaît avoir acquis une capacité intrinsèque à se mouvoir d'une façon dynamiquement stable. Les robots marcheurs passifs actuels nous montrent qu'une structure mécanique avec des jambes et des bras est capable de descendre le long d'un plan incliné sans source de contrôle supplémentaire. Les simulations numériques semblent, de plus, montrer que des phénomènes d'autostabilisation de la mécanique sont à l'œuvre pendant la course également. La nécessité d'assurer une locomotion cyclique dynamiquement stable est porteuse, elle aussi, de contraintes physiques à définir, à découvrir. L'étude des relations entre stabilité dynamique et morphologie suppose une modélisation du système étudié et l'utilisation de l'outil simulation numérique. Une description du système avec des variables neuromécaniques telle la raideur, accessible à l'expérimentation, permet de contenir le nombre de degrés de liberté du modèle. La maximisation de la robustesse de l'autostabilisation mécanique, c'est-à-dire la maximisation de l'intensité de la perturbation que le système en mouvement est capable de supporter sans tomber, fournit pour les futures simulations un critère d'optimisation capable d'éclairer d'une façon nouvelle notre compréhension des proportions du squelette. Pour citer cet article : R. Hackert et al., C. R. Palevol 5 (2006).