Finns det en förenande princip som ligger till grund för djurens rörelse i dess rika mångfald? En termodynamisk analys utförd av en Skoltech-professor och hans franska medarbetare vid Université Paris Diderot, Université Paris Saclay, och Muséum national d'Histoire Naturelle, visar varför och hur avfallsminimering råder på effektivitet eller effektmaximering när det kommer till fri rörelse oavsett tillgängligt läge och gångarter. Forskningen publiceras i Fysiska granskningsbrev .

"Förflyttning är ett kännetecken för djurlivet, " säger Skoltech-professor Henni Ouerdane, "och det är därför det har fascinerat tänkare sedan åtminstone Aristoteles tid." Prof. Ouerdane tillägger att "i slutet av 1800-talet Eadweard Muybridges uppfinning, zoopraxiskopet, en föregångare till filmen, hypnotiserade folkmassor som bevittnar biomekanikens vackra komplexitet; och att detaljerade jämförelser mellan levande och konstgjorda maskiner naturligtvis följde, men med mycket begränsad framgång för att förklara livet."

För de konstgjorda maskinerna, maximering av energiomvandlingseffektiviteten är ett måste för att spara resurser, men gäller detta djur när de rör sig fritt? Att svara på denna fråga utgör en formidabel utmaning med tanke på djurlivets och livsmiljöernas mångformiga karaktär. Maktmaximering är det självklara målet under stressiga sammanhang, byte som jagar eller flyger; men ingen klar princip, om någon, verkade gälla fri rörelse. Faktiskt, det detaljerade samspelet mellan energihantering och rörelse, och i synnerhet optimering av energiförbrukning över gångarter, hade alltid förblivit svårfångad.

Prof. Ouerdane och hans främsta medarbetare, Prof. Christophe Goupil, hade tidigare utförligt studerat termodynamiken i icke-jämvikt hos energiomvandlare, men språnget till livets fysik var en skrämmande framtidsutsikt. Verkligen, Formuleringen av en generisk kompakt modell av förflyttning av mycket komplexa system som levande organismer verkade utom räckhåll. "Självklart, litteraturen om ämnet är rik och riklig, men många modeller förlitar sig på stora uppsättningar av passningsparametrar för att reproducera en del av den observerade energin av muskelverkan, vilket på något sätt hindrar en tydlig vision av de termodynamiska processerna i arbetet. Ytterligare, den grundläggande muskelmodellen härrör från originalverk med hjälp av döda, dissekerade muskler, medan man vill förstå den kemisk-till-mekaniska energiomvandlingen i levande organismer, " säger prof. Goupil.

Det första steget till en termodynamisk rörelsemodell var en riktig modell av metabolisk energiomvandling i själva verket, levande muskler. Detta jobb, publiceras i New Journal of Physics under 2019, av prof. Ouerdane och hans medarbetare, betonade nödvändigheten av att noggrant överväga de särskilda gränsförhållanden som en levande muskel under belastning utsätts för, och deras återkopplingseffekter relaterade till den metaboliska intensiteten. Deras arbete överbryggade således en enastående klyfta mellan inerta muskelmodeller och levande muskler som satts i arbete av ett verkligt djur.

"I vårt senaste arbete, införa energikostnaden för ansträngningar, vi reda ut en grundläggande extremal princip för icke-jämviktstermodynamiken för djurrörelser:fri rörelse innebär minimering av metabolisk avfallsproduktion. Vi använde publicerade experimentella data för promenader, trav, och galoppera, varje gång representerar olika biomekaniska arbetsförhållanden. Vi återhämtade trenderna med vår modell, och gav nya insikter om djurförflyttning, sträcker sig därför bortom vår fallstudie, säger Prof Ouerdane.

Denna forskning bidrar till betydande framsteg i förståelsen av förflyttning i vilken miljö som helst (markbunden, antenn, vattenlevande) oberoende av fylogenin. Intressant, den belyser också en naturlig princip som kan driva den innovativa designen av framtida konstgjorda avfallseffektiva maskiner, och det kan också mata bioinspirerad robotik för problem relaterade till, t.ex., proprioception och variabel mekanisk impedans för ställdon, vilket i sin tur skulle kunna främja utvecklingen av fysikbaserade teorier om livet.