Biomechanics of Dinosaurs : studies by means of engineering techniques

Palaeontology is a science that has always been keen to introduce new methods in its research, since its dawn at the end of the XVIII sec. Computer-aided tests, such as Finite Element and Multibody Dynamic Analyses, were developed by engineers and their use grew greatly in the last decades, thanks to the increased availability of better and cheaper computers. The use of these methodologies has been rapidly spreading within the palaeontological community since the early 2000’s, granting access to test new hypotheses, without the risk of damaging the original specimens. However, palaeontological research is often bound to hypotheses that were tested in the past and to assumptions that are now considered old, despite the rapid growth in computational capacities of modern computers. Hence this thesis is born to implement updated methodologies, commonly used in aerospace engineering, in palaeontological research. With this project, I aim to review some hypotheses related to dinosaur behaviours taking into consideration both extinct and extant dinosaurs and revise some basic assumptions and conventions often applied in biomechanical research to create a solid starting point for the use of engineering methods. The study of the mechanical properties of ostrich bone materials revealed load-bearing adaptations. By use of Finite Element and Multibody Dynamic Analyses, I tested the dynamics of sauropod necks and tails, as well as the dynamics of the tail of stegosaur dinosaurs and the backbone of ornithopod dinosaurs. The study of stress resistance of soft tissue materials has been applied to palaeontological data and proved to be another useful method to verify palaeontological hypotheses regarding reasonable soft tissue reconstructions. The analyses of the ostrich leg bones revealed a polarization of the material properties as well as showing different mechanical material properties within the same bone, and load-bearing structural adaptations were observed in the femur and the tibia. The research conducted on dinosaur tails revealed that sauropod tails could not reach the speed of sound and that stegosaurid tails were valuable defensive weapons. The study conducted on the ornithopod caudal vertebrae showed a structural adaptation useful to generate efficient locomotion, yet making it more susceptible to external loading, thus explaining the high number of pathological remains found in the fossil record. The study conducted on the sauropod neck biomechanics tested different hypotheses of ligament arrangements and showed similar biomechanical adaptations in the morphology of mammal and sauropod cervical vertebrae. The study aimed to establish the feeding strategy of diplodocid sauropods proved that these animals were forced to feed on soft plant materials, due to the brittleness of their teeth, and the hypothesis of a rhamphotheca was tested as well, to measure its beneficial apport. In summary, the results obtained during this project revealed structural adaptations both in extant and extinct animals and proved that engineering methods can be successfully applied to resolve palaeontological-related tasks.

La paleontologia è una scienza che, fin dai suoi albori, alla fine del XVIII sec., ha sempre voluto introdurre nuovi metodi nelle sue ricerche. I test assistiti da computer, come le analisi agli elementi finiti e le analisi dinamiche multicorpo, sono stati sviluppati dagli ingegneri e il loro utilizzo è cresciuto notevolmente negli ultimi decenni, grazie alla maggiore disponibilità di computer migliori e più economici. L’utilizzo di queste metodologie si è diffuso rapidamente all’interno della comunità paleontologica a partire dai primi anni 2000, consentendo l’accesso alla sperimentazione di nuove ipotesi, senza il rischio di danneggiare i campioni originali. Tuttavia, la ricerca paleontologica è spesso legata a ipotesi verificate in passato e a presupposti ormai considerati vecchi, nonostante la rapida crescita delle capacità di calcolo dei moderni computer. Quindi questa tesi nasce per implementare metodologie aggiornate, comunemente utilizzate nell'ingegneria aerospaziale, nella ricerca paleontologica. Con questo progetto, mi propongo di rivedere alcune ipotesi relative al comportamento dei dinosauri prendendo in considerazione sia i dinosauri estinti che quelli esistenti e di rivedere alcuni assunti e convenzioni di base spesso applicati nella ricerca biomeccanica per creare un solido punto di partenza per l'uso di metodi ingegneristici. Lo studio delle proprietà meccaniche dei materiali dell'osso di struzzo ha rivelato adattamenti portanti. Utilizzando l'analisi dinamica degli elementi finiti e multicorpo, ho testato la dinamica del collo e della coda dei sauropodi, nonché la dinamica della coda dei dinosauri stegosauri e della spina dorsale dei dinosauri ornitopode. Lo studio della resistenza allo stress dei materiali dei tessuti molli è stato applicato a dati paleontologici e si è rivelato un altro metodo utile per verificare ipotesi paleontologiche riguardanti ragionevoli ricostruzioni dei tessuti molli. Le analisi delle ossa delle zampe di struzzo hanno rivelato una polarizzazione delle proprietà dei materiali, nonché diverse proprietà meccaniche dei materiali all'interno dello stesso osso, e sono stati osservati adattamenti strutturali portanti nel femore e nella tibia. Le ricerche condotte sulle code dei dinosauri hanno rivelato che le code dei sauropodi non potevano raggiungere la velocità del suono e che le code degli stegosauridi erano preziose armi difensive. Lo studio condotto sulle vertebre caudali degli ornitopode ha mostrato un adattamento strutturale utile a generare una locomozione efficiente, rendendolo però più suscettibile al carico esterno, spiegando così l'elevato numero di resti patologici rinvenuti nella documentazione fossile. Lo studio condotto sulla biomeccanica del collo dei sauropodi ha testato diverse ipotesi di disposizione dei legamenti e ha mostrato adattamenti biomeccanici simili nella morfologia delle vertebre cervicali dei mammiferi e dei sauropodi. Lo studio volto a stabilire la strategia alimentare dei sauropodi diplodocidi ha dimostrato che questi animali erano costretti a nutrirsi di materiali vegetali morbidi, a causa della fragilità dei loro denti, ed è stata testata anche l'ipotesi di una ranfoteca, per misurarne l'apporto benefico. In sintesi, i risultati ottenuti durante questo progetto hanno rivelato adattamenti strutturali sia negli animali esistenti che in quelli estinti e hanno dimostrato che i metodi di ingegneria possono essere applicati con successo per risolvere compiti legati alla paleontologia.