Zandzwemmende hagedissen, glibberende robotslangen, schemervliegende motten en rennende kakkerlakken hebben allemaal één ding gemeen:ze worden steeds vaker bestudeerd door natuurkundigen die geïnteresseerd zijn in het begrijpen van de gedeelde strategieën die deze wezens hebben ontwikkeld om de uitdagingen van het bewegen door hun omgeving te overwinnen.

Door de regels voor de voortbeweging van deze wezens te analyseren, "physics of living systems"-onderzoekers leren hoe dieren met succes over onstabiele oppervlakken zoals nat zand, snelle beweging behouden op vlakke oppervlakken met behulp van de voordelige mechanica van hun lichaam, en vliegen op manieren die nooit zouden werken voor moderne vliegtuigen. De kennis die deze onderzoekers ontwikkelen, kan nuttig zijn voor de ontwerpers van allerlei soorten robots en vliegende voertuigen.

"Locomotion is een heel natuurlijk toegangspunt om te begrijpen hoe biologische systemen omgaan met de wereld, " zei Simon Sponberg, een assistent-professor aan de School of Physics en School of Biological Sciences aan het Georgia Institute of Technology. "Als ze bewegen, dieren veranderen de omgeving om hen heen, zodat ze zich ervan kunnen afzetten en er op verschillende manieren doorheen kunnen bewegen. Dit vermogen is een bepalend kenmerk van dieren."

Sponberg heeft zijn carrière besteed aan het overbruggen van de kloof tussen natuurkunde en organismale biologie - de studie van complexe wezens. Zijn werk omvat het bestuderen van hoe haviksmotten hun zenuwstelsel vertragen om het zicht te behouden bij weinig licht, en hoe spieren een veelzijdig materiaal zijn dat de functie kan veranderen van een rem naar een motor of veer.

Onlangs publiceerde hij een hoofdartikel, het omslagverhaal voor het septembernummer van het tijdschrift American Institute of Physics Natuurkunde vandaag , over de rol van de natuurkunde in de voortbeweging van dieren. Het artikel was niet bedoeld als een overzicht van het hele vakgebied, maar veeleer om te laten zien hoe de fysica van het organisme - het integreren van complexe fysiologische systemen, de mechanica en de omgeving tot een heel dier - heeft zijn carrière geïnspireerd.

"Het snijpunt van natuurkunde en organismale biologie is op dit moment erg spannend, " zei Sponberg. "De assemblage en interactie van meerdere natuurlijke componenten manifesteert nieuw gedrag en dynamiek. De verzameling van deze natuurlijke componenten vertoont andere patronen dan de afzonderlijke delen, en dat is fascinerend."

Ondersteund door nieuwe initiatieven bij organisaties zoals het Army Research Office en de National Science Foundation - die deze grenzen omarmen - leren Georgia Tech-wetenschappers de vergelijkingen die dicteren hoe slangen bewegen, begrijpen hoe de haarafstand op de lichamen van bijen hen helpt schoon te blijven, en met behulp van röntgenapparatuur om te zien hoe een ongewone Afrikaanse hagedis door droog zand "zwemt".

"Het is echt een opwindende tijd om te werken op het snijvlak van evolutionaire organismale biologie die wordt gerealiseerd in deze levende systemen die tot stand zijn gekomen door het proces van evolutie, samengesteld uit schijnbaar zeer complexe systemen, " zei hij. "Biologische systemen zijn onontkoombaar complex, maar dat betekent niet dat er geen eenvoudige gedragspatronen zijn die we kunnen begrijpen. We hebben nu de moderne tools, benaderingen en theorie die we nodig hebben om fysieke patronen uit biologische systemen te extraheren."

In zijn artikel, Sponberg doet voorspellingen over het onderzoek dat nodig zal zijn om de fysica van levende systemen als een veld vooruit te helpen:

• Hoe feedback de fysiologische dynamiek transformeert,
• Hoe aggregaties van levende componenten, van mensen tot mieren tot moleculaire motoren, ontstaan ​​op meerdere schalen, en
• Hoe robo-fysische modellen van deze complexe systemen kunnen leiden tot nieuwe ontdekkingen en geavanceerde engineering.

Engineered systems gebruiken feedback over de effecten van hun acties om hun toekomstige activiteiten aan te passen, en dieren doen hetzelfde om hun beweging te beheersen. Wetenschappers kunnen deze feedback manipuleren om te begrijpen hoe complexe systemen in elkaar zitten en de feedback gebruiken om experimenten te ontwerpen in plaats van alleen te analyseren wat er is.

"We gebruiken de hele tijd feedback om door onze omgeving te bewegen, en feedback is iets heel bijzonders dat fundamenteel van invloed is op hoe dynamiek ontstaat, " zei Sponberg. "Maar het gebruik van feedback om experimenten te ontwerpen is echt nieuw."

Bijvoorbeeld, in de studie van hoe haviksmotten bloemen volgen bij weinig licht, hij en zijn collega's gebruikten feedbackdynamiek om te isoleren hoe het brein van de mot zijn verwerking bij weinig licht aanpast. De motten kunnen nog steeds nauwkeurig bloembewegingen volgen die minder dan twee keer per seconde plaatsvinden, wat overeenkomt met de frequentie waarmee de bloemen in de wind zwaaien.

Dieren zijn samengesteld uit vele systemen die tegelijkertijd op meerdere tijdschalen werken - hersenneuronen, zenuwen en de individuele spiervezels met moleculaire motoren. Deze spiervezels zijn gerangschikt in een actief kristalrooster, zodat röntgenstralen die er doorheen worden afgevuurd, een regelmatig diffractiepatroon creëren. Het begrijpen van deze meerschalige levende assemblages biedt nieuwe inzichten in hoe dieren complexe acties beheren.

Eindelijk, Sponberg merkt in zijn artikel op dat robots een steeds grotere rol spelen in het natuurkundig laboratorium als functionele modellen die bewegingsprincipes kunnen onderzoeken door interactie met de echte wereld. In het laboratorium van Georgia Tech Associate Professor Dan Goldman - een van Sponbergs collega's - robotslangen, schildpadden, krabben en andere wezens helpen wetenschappers te begrijpen wat ze in de natuurlijke wereld waarnemen.

"Bewegende fysieke modellen - robots - kunnen zeer krachtige hulpmiddelen zijn om deze complexe systemen te begrijpen, Sponberg zei. "Ze kunnen ons in staat stellen om experimenten op robots te doen die we niet op dieren konden doen om te zien hoe ze omgaan met complexe omgevingen. We kunnen zien welke fysica in deze systemen essentieel is voor hun gedrag."

Sponberg werd geïnspireerd om de interactie van organismale biologie en fysica te bestuderen door de opmerkelijke diversiteit van dierenbewegingen en door niet-lineaire dynamiek, een vakgebied dat populair werd toen hij een jonge student was door het bestsellerboek Chaos:Making a New Science uit 1987, geschreven door voormalig New York Times-verslaggever James Gleick. Sponberg hoopt de studenten van vandaag - lezers van Natuurkunde vandaag - zal ook worden geïnspireerd.

"Ik heb hierop gestemd met mijn beroepskeuze, dus ik denk dat dit een heel opwindend wetenschapsgebied is, " hij voegde toe.