分析動物運(yùn)動的基本法則

“在-新的工作中，介紹了努力的能量成本，我們闡明了動物運(yùn)動非平衡熱力學(xué)的基本原理：自由運(yùn)動需要-大程-度地減少代謝廢物的產(chǎn)生。我們使用已發(fā)表的步行，小跑和馳gall實驗數(shù)據(jù)，每個步態(tài)代表了不同的生物力學(xué)工作條件。我們通過模型恢復(fù)了趨勢，并提供了關(guān)于動物運(yùn)動的新見解，因此超出了我們的案例研究范圍，" Ouerdane教授說。

這項研究有助于在獨立于系統(tǒng)發(fā)育的任何環(huán)境(陸地，空中，水生)的運(yùn)動理解方面取得重大進(jìn)展。有趣的是，它還闡明了自然原理，可以驅(qū)動未來的人造廢舊高效機(jī)器的創(chuàng)新設(shè)計，并且還可以為受生物啟發(fā)的機(jī)器人提供解決方案，例如與執(zhí)行器的本體感受和可變機(jī)械阻抗有關(guān)的問題。反過來可以促進(jìn)基于物理學(xué)的生命理論的發(fā)展。

是否存在統(tǒng)一的原則來支持動物運(yùn)動的豐富多樣性?Skoltech教授和他的法國合作者在巴黎狄德羅大學(xué)，巴黎薩克雷大學(xué)和國家歷史自然博物館進(jìn)行的熱力學(xué)分析表明，在自由運(yùn)動方面，無論如何，廢物小化在效率或功率大化方面為何占主導(dǎo)地位，無論如何，浪費(fèi)小化可用的模式和步態(tài)。這項研究發(fā)表在《物理評論快報》上。

Skoltech教授Henni Ouerdane說：“運(yùn)動是動物生命的標(biāo)志，這就是為什么至少從亞里斯多德時代起，它就吸引了思想家。" Ouerdane教授補(bǔ)充說：“在19世紀(jì)末期，Eadwear Muybridge的發(fā)明，即動物透-視鏡，是電影的前身，迷住了人群，目睹了生物力學(xué)的美麗復(fù)雜性;隨后自然而然地對生活和人造機(jī)器進(jìn)行了詳細(xì)的比較，但是解釋人生的成功非常有限。"

對于人造機(jī)器，必須大限度地提高能量轉(zhuǎn)換效率才能節(jié)省資源，但這是否適用于動物自由活動的動物?考慮到動物生命和棲息地的多種形式，回答這個問題提出了巨大的挑戰(zhàn)。在壓力大的環(huán)境中，追逐獵物或逃跑時，功率大化是顯而易見的目標(biāo)。但是似乎沒有明確的原理(如果有的話)適用于自由運(yùn)動。實際上，能量管理和運(yùn)動之間的詳細(xì)相互作用，尤其是跨步態(tài)的能量消耗的優(yōu)化始終難以捉摸。

Ouerdane教授和他的主要合作者Christophe Goupil教授以前曾廣泛研究能量轉(zhuǎn)換器的非平衡熱力學(xué)，但是，生命物理的飛躍是一個艱巨的前景。確實，似乎無法實現(xiàn)高度復(fù)雜的系統(tǒng)(例如活生物體)運(yùn)動的通用緊湊模型?！爱?dāng)然，有關(guān)該主題的文獻(xiàn)非常豐富，但是許多模型都依賴大量的擬合參數(shù)來重現(xiàn)觀察到的部分肌肉動作能量，這在某種程度上阻礙了人們對工作中熱力學(xué)過程的清晰認(rèn)識。此外，基本的肌肉模型源自使用死-去的解剖肌肉的原始作品，而一個人則想了解活生物體中化學(xué)到機(jī)械能的轉(zhuǎn)化。" Goupil教授說。

運(yùn)動熱力學(xué)模型的第一步是在實際的活肌肉中代謝能量轉(zhuǎn)換的適當(dāng)模型。這項工作由Ouerdane教授及其合作者于2019年在《新物理學(xué)》上發(fā)表，強(qiáng)調(diào)必須嚴(yán)格考慮活肌在負(fù)荷下所處的特定邊界條件，以及它們與代謝強(qiáng)度有關(guān)的反饋效應(yīng)。因此，他們的工作彌合了惰性肌肉模型與實際動物投入工作的活肌肉之間的巨大差距。