分析動(dòng)物運(yùn)動(dòng)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(dòng)物運(yùn)動(dòng)非平衡熱力學(xué)的基本原理：自由運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，每個(gè)步態(tài)代表了不同的生物力學(xué)工作條件。我們通過(guò)模型恢復(fù)了趨勢(shì)，并提供了關(guān)于動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的新見(jiàn)解，因此超出了我們的案例研究范圍，" Ouerdane教授說(shuō)。

這項(xiàng)研究有助于在獨(dú)立于系統(tǒng)發(fā)育的任何環(huán)境(陸地，空中，水生)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)未來(lái)的人造廢舊高效機(jī)器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，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(wèn)題。反過(guò)來(lái)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(lái)支持動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的豐富多樣性?Skoltech教授和他的法國(guó)合作者在巴黎狄德羅大學(xué)，巴黎薩克雷大學(xué)和國(guó)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(dòng)方面，無(wú)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(wú)論如何，浪費(fèi)小化可用的模式和步態(tài)。這項(xiàng)研究發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。

Skoltech教授Henni Ouerdane說(shuō)：“運(yùn)動(dòng)是動(dòng)物生命的標(biāo)志，這就是為什么至少?gòu)膩喞锼苟嗟聲r(shí)代起，它就吸引了思想家。" Ouerdane教授補(bǔ)充說(shuō)：“在19世紀(jì)末期，Eadwear Muybridge的發(fā)明，即動(dòng)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(duì)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(duì)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(dòng)物自由活動(dòng)的動(dòng)物?考慮到動(dòng)物生命和棲息地的多種形式，回答這個(gè)問(wèn)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(shí)，功率大化是顯而易見(jiàn)的目標(biāo)。但是似乎沒(méi)有明確的原理(如果有的話)適用于自由運(yùn)動(dòng)。實(shí)際上，能量管理和運(yùn)動(dòng)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(gè)艱巨的前景。確實(shí)，似乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)高度復(fù)雜的系統(tǒng)(例如活生物體)運(yùn)動(dòng)的通用緊湊模型。“當(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(lái)重現(xiàn)觀察到的部分肌肉動(dòng)作能量，這在某種程度上阻礙了人們對(duì)工作中熱力學(xué)過(guò)程的清晰認(rèn)識(shí)。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(gè)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(shuō)。

運(yùn)動(dòng)熱力學(xué)模型的第一步是在實(shí)際的活肌肉中代謝能量轉(zhuǎn)換的適當(dāng)模型。這項(xiàng)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(shí)際動(dòng)物投入工作的活肌肉之間的巨大差距。