Is er een verenigend principe dat ten grondslag ligt aan de voortbeweging van dieren in zijn rijke diversiteit? Een thermodynamische analyse uitgevoerd door een Skoltech-professor en zijn Franse medewerkers aan de Université Paris Diderot, Université Paris Saclay, en het Muséum national d'Histoire Naturelle, laat zien waarom en hoe afvalminimalisatie prevaleert boven efficiëntie of krachtmaximalisatie als het gaat om vrije voortbeweging, ongeacht de beschikbare modus en gangen. Het onderzoek is gepubliceerd in de Fysieke beoordelingsbrieven .

"Voortbeweging is een kenmerk van dierlijk leven, " zegt Skoltech-professor Henni Ouerdane, "en daarom heeft het denkers gefascineerd sinds tenminste de tijd van Aristoteles." Prof. Ouerdane voegt eraan toe dat "in de late 19e eeuw de uitvinding van Eadweard Muybridge, de zoöpraxiscoop, een voorloper van de film, betoverde menigten die getuige waren van de prachtige complexiteit van biomechanica; en dat gedetailleerde vergelijkingen tussen levende en door de mens gemaakte machines natuurlijk volgden, maar met zeer beperkt succes om het leven te verklaren."

Voor de door de mens gemaakte machines, maximalisering van de energieconversie-efficiëntie is een must om hulpbronnen te besparen, maar geldt dit ook voor dieren als ze vrij rondlopen? Het beantwoorden van deze vraag vormt een enorme uitdaging gezien het pluriforme karakter van het dierenleven en de leefgebieden. Machtsmaximalisatie is het voor de hand liggende doel onder stressvolle contexten, prooi jagen of vluchten; maar geen duidelijk principe, indien van toepassing, leek van toepassing te zijn op vrije voortbeweging. In feite, het gedetailleerde samenspel tussen energiehuishouding en voortbeweging, en in het bijzonder de optimalisatie van het energieverbruik over de gangen heen, was altijd ongrijpbaar gebleven.

Prof. Ouerdane en zijn belangrijkste medewerker, Prof. Christophe Goupil, had eerder uitgebreid de niet-evenwichtsthermodynamica van energieomzetters bestudeerd, maar de sprong naar de fysica van het leven was een ontmoedigend vooruitzicht. Inderdaad, de formulering van een generiek compact model van voortbeweging van zeer complexe systemen zoals levende organismen leek onbereikbaar. "Natuurlijk, de literatuur over het onderwerp is rijk en overvloedig, maar veel modellen vertrouwen op grote sets aanpasparameters om een ​​deel van de waargenomen energie van spieractie te reproduceren, die op de een of andere manier een duidelijke visie op de thermodynamische processen op het werk belemmert. Verder, het basis spiermodel is afgeleid van originele werken met dode, ontlede spieren, terwijl men de chemisch-naar-mechanische energieconversie in levende organismen wil begrijpen, " zegt prof. Goupil.

De eerste stap naar een thermodynamisch model van voortbeweging was een goed model van metabolische energieconversie in de praktijk, levende spieren. Dit werk, gepubliceerd in de Nieuw tijdschrift voor natuurkunde in 2019, door Prof. Ouerdane en zijn medewerkers, benadrukte de noodzaak om rigoureus rekening te houden met de specifieke randvoorwaarden waaraan een levende spier onder belasting wordt onderworpen, en hun feedbackeffecten gerelateerd aan de metabole intensiteit. Hun werk overbrugde dus een uitstekende kloof tussen inerte spiermodellen en levende spieren die door een echt dier aan het werk werden gezet.

"In ons laatste werk, invoering van de energiekosten van inspanningen, we hebben een fundamenteel extremaal principe van de niet-evenwichtsthermodynamica van de voortbeweging van dieren ontrafeld:vrije voortbeweging houdt een minimalisering van de metabolische afvalproductie in. We gebruikten gepubliceerde experimentele gegevens voor lopen, draf, en galopperen, elke gang vertegenwoordigt verschillende biomechanische werkomstandigheden. We hebben de trends hersteld met ons model, en gaf nieuwe inzichten in de voortbeweging van dieren, dus verder gaan dan onze case study, " zegt prof. Ouerdane.

Dit onderzoek draagt ​​bij aan aanzienlijke vooruitgang in het begrip van voortbeweging in elke omgeving (terrestrische, antenne, aquatisch) onafhankelijk van de fylogenie. interessant, het werpt ook licht op een natuurlijk principe dat het innovatieve ontwerp van toekomstige door de mens gemaakte afval-efficiënte machines kan aansturen, en het kan ook bio-geïnspireerde robotica voeden voor problemen in verband met, bijv. proprioceptie en variabele mechanische impedantie van actuatoren, wat op zijn beurt de ontwikkeling van op fysica gebaseerde levenstheorieën zou kunnen bevorderen.