En hökfjäril visas på en robotblomma som används för att studera insekts förmåga att spåra den rörliga blomman under svagt ljus. Forskningen visar att varelserna kan bromsa sina hjärnor för att förbättra synen under förhållanden med svagt ljus -medan de fortsätter att utföra krävande uppgifter. Upphovsman:Rob Felt, Georgia Tech
Sandsimmande ödlor, slingrande robotormar, skymningsflygande nattfjärilar och löpande mörtar har alla en sak gemensamt:De studeras alltmer av fysiker som är intresserade av att förstå de gemensamma strategierna som dessa varelser har utvecklat för att övervinna utmaningarna att röra sig i sina miljöer.
Genom att analysera reglerna för dessa varels rörelse, "fysik i levande system" forskare lär sig hur djur framgångsrikt förhandlar instabila ytor som våt sand, upprätthålla snabb rörelse på plana ytor med hjälp av kroppens fördelaktiga mekanik, och flyga på sätt som aldrig skulle fungera för moderna flygplan. Den kunskap som dessa forskare utvecklar kan vara användbar för konstruktörer av robotar och flygande fordon av alla slag.
"Locomotion är en mycket naturlig åtkomstpunkt för att förstå hur biologiska system interagerar med världen, sa Simon Sponberg, en biträdande professor vid School of Physics and School of Biological Sciences vid Georgia Institute of Technology. "När de flyttar, djur förändrar miljön runt dem så att de kan skjuta av från den och röra sig genom den på olika sätt. Denna förmåga är en avgörande egenskap hos djur. "
Sponberg har ägnat sin karriär åt att överbrygga klyftan mellan fysik och organismbiologi - studiet av komplexa varelser. Hans arbete inkluderar att studera hur hökfjärilar saktar ner sina nervsystem för att bibehålla synen under svagt ljus, och hur muskler är ett mångsidigt material som kan ändra funktion från broms till motor eller fjäder.
Han publicerade nyligen en artikel, omslagshistorien för septembernumret av tidningen American Institute of Physics Fysik idag , om fysikens roll i djurens rörelse. Artikeln var inte avsedd som en översyn av hela fältet, utan snarare för att visa hur organismens fysik - integrering av komplexa fysiologiska system, mekaniken och den omgivande miljön till ett helt djur - har inspirerat hans karriär.
"Korsningen mellan fysik och organismbiologi är mycket spännande just nu, "Sponberg sa." Montering och interaktion av flera naturliga komponenter manifesterar nya beteenden och dynamik. Samlingen av dessa naturkomponenter manifesterar olika mönster än de enskilda delarna, och det är fascinerande. "
Georgia Tech -forskaren Simon Sponberg håller en hökfjäril ( Manduca sexta ). Forskning på denna insekt i kolibri visar att varelserna kan bromsa sina hjärnor för att förbättra synen under svagt ljus-samtidigt som de fortsätter att utföra krävande uppgifter. Upphovsman:Rob Felt, Georgia Tech
Med stöd av nya initiativ på sådana organisationer som Army Research Office och National Science Foundation - som omfamnar dessa gränser - lär sig Georgia Tech -forskare ekvationerna som dikterar hur ormar rör sig, förstå hur håret mellan bin på kropparna hjälper dem att hålla sig rena, och använda röntgenutrustning för att se hur en ovanlig afrikansk ödla "simmar" genom torr sand.
"Det är en riktigt spännande tid att arbeta vid skärningspunkten mellan evolutionär organismbiologi som förverkligas i dessa levande system som har uppstått genom evolutionens process, består av till synes mycket komplexa system, "sa han." Biologiska system är oundvikligen komplexa, men det betyder inte att det inte finns enkla beteendemönster som vi kan förstå. Vi har nu de moderna verktygen, metoder och teori om att vi behöver kunna extrahera fysiska mönster från biologiska system. "
I hans artikel, Sponberg gör förutsägelser om den forskning som kommer att behövas för att levande systems fysik ska utvecklas som ett område:
Konstruerade system använder feedback om effekterna av sina handlingar för att justera sina framtida aktiviteter, och djur gör samma sak för att kontrollera sin rörelse. Forskare kan manipulera denna feedback för att förstå hur komplexa system sätts ihop och använda feedbacken för att utforma experiment snarare än att bara analysera vad som finns där.
"Vi använder feedback hela tiden för att flytta genom vår miljö, och feedback är en riktigt speciell sak som i grunden påverkar hur dynamik uppstår, "sa Sponberg." Men att använda feedback för att designa experiment är verkligen något nytt. "
En hökfjäril i mitten av vingslaget rullar ut sin snabel för att mata från en Nicotiana -blomma. Dessa smidiga nattfjärilar svävar i luften och spårar blomsterrörelser upp till 10 gånger i sekunden även i ljusnivåer som i ett starkt ljus. Att stanna uppe, de fångar virvlar av luft på sina vingar. Upphovsman:Megan Matthews
Till exempel, i studien av hur hökfjärilar spårar blommor under svagt ljus, han och hans kollegor använde feedbackdynamik för att isolera hur malens hjärna justerar dess bearbetning i svagt ljus. Nattfjärilarna kan fortfarande noggrant spåra blomrörelser som uppstår mindre än två gånger per sekund - vilket matchar den frekvens som blommorna svajar i vinden.
Djur består av många system som arbetar i flera tidsskalor samtidigt - hjärnneuroner, nerver och de enskilda muskelfibrerna med molekylära motorer. Dessa muskelfibrer är anordnade i ett aktivt kristallint gitter så att röntgenstrålar som skjuts genom dem skapar ett regelbundet diffraktionsmönster. Att förstå dessa multiskala levande sammansättningar ger ny inblick i hur djur hanterar komplexa handlingar.
Till sist, Sponberg noterar i sin artikel att robotar spelar en större och större roll i fysiklaboratoriet som funktionella modeller som kan undersöka rörelseprinciper genom att interagera med den verkliga världen. I laboratoriet hos Georgia Tech Docent Dan Goldman - en av Sponbergs kollegor - robotormar, sköldpaddor, krabbor och andra varelser hjälper forskare att förstå vad de observerar i den naturliga världen.
"Rörliga fysiska modeller - robotar - kan vara mycket kraftfulla verktyg för att förstå dessa komplexa system, "Sponberg sa." De kan låta oss göra experiment på robotar som vi inte kunde göra på djur för att se hur de interagerar med komplexa miljöer. Vi kan se vilken fysik i dessa system som är väsentlig för deras beteenden. "
Sponberg inspirerades att studera växelverkan mellan organismbiologi och fysik av den anmärkningsvärda mångfalden av djurrörelser och av olinjär dynamik, ett område som blev populärt när han var ung av 1987 års bästsäljande bok Chaos:Making a New Science författad av den tidigare New York Times-reporteren James Gleick. Sponberg hoppas dagens elever - läsare av Fysik idag - kommer också att inspireras.
"Jag röstade om det här med mitt yrkesval, så jag tycker att detta är ett mycket spännande vetenskapsområde, " han lade till.
