Lucertole che nuotano nella sabbia, serpenti robotici striscianti, Le falene che volano al crepuscolo e gli scarafaggi che corrono hanno tutti una cosa in comune:sono sempre più studiati da fisici interessati a comprendere le strategie condivise che queste creature hanno sviluppato per superare le sfide del muoversi attraverso i loro ambienti.

Analizzando le regole che regolano la locomozione di queste creature, i ricercatori di "fisica dei sistemi viventi" stanno imparando come gli animali negoziano con successo superfici instabili come la sabbia bagnata, mantenere un movimento rapido su superfici piane sfruttando la meccanica vantaggiosa dei loro corpi, e volare in modi che non funzionerebbero mai per gli aerei moderni. Le conoscenze sviluppate da questi ricercatori potrebbero essere utili ai progettisti di robot e veicoli volanti di ogni tipo.

"La locomozione è un punto di accesso molto naturale per comprendere come i sistemi biologici interagiscono con il mondo, " ha detto Simon Sponberg, un assistente professore presso la Scuola di Fisica e la Scuola di Scienze Biologiche presso il Georgia Institute of Technology. "Quando si muovono, gli animali cambiano l'ambiente che li circonda in modo da potersi allontanare da esso e muoversi attraverso di esso in modi diversi. Questa capacità è una caratteristica distintiva degli animali".

Sponberg ha passato la sua carriera a colmare il divario tra la fisica e la biologia dell'organismo, lo studio di creature complesse. Il suo lavoro include lo studio di come le falene falco rallentano il loro sistema nervoso per mantenere la visione in condizioni di scarsa illuminazione, e come il muscolo sia un materiale versatile in grado di cambiare funzione da freno a motore o molla.

Di recente ha pubblicato un articolo di approfondimento, la storia di copertina del numero di settembre della rivista dell'American Institute of Physics La fisica oggi , sul ruolo della fisica nella locomozione animale. L'articolo non era inteso come una recensione dell'intero campo, ma piuttosto per mostrare come la fisica dell'organismo, integrando sistemi fisiologici complessi, la meccanica e l'ambiente circostante in un intero animale, ha ispirato la sua carriera.

"L'intersezione tra fisica e biologia organica è molto eccitante in questo momento, " Ha detto Sponberg. "L'assemblaggio e l'interazione di più componenti naturali manifesta nuovi comportamenti e dinamiche. La raccolta di questi componenti naturali manifesta schemi differenti rispetto alle singole parti, e questo è affascinante".

Supportati da nuove iniziative presso organizzazioni come l'Ufficio di ricerca dell'esercito e la National Science Foundation - che stanno abbracciando queste frontiere - gli scienziati della Georgia Tech stanno imparando le equazioni che determinano il movimento dei serpenti, capire come la spaziatura dei capelli sui corpi delle api le aiuti a rimanere pulite, e utilizzando apparecchiature a raggi X per vedere come un'insolita lucertola africana "nuota" attraverso la sabbia asciutta.

"È un momento davvero emozionante per lavorare all'intersezione della biologia organica evolutiva che si realizza in questi sistemi viventi che si sono formati attraverso il processo di evoluzione, composto da sistemi apparentemente molto complessi, " ha detto. "I sistemi biologici sono inevitabilmente complessi, ma ciò non significa che non ci siano semplici modelli di comportamento che possiamo capire. Ora abbiamo gli strumenti moderni, approcci e teorie di cui abbiamo bisogno per essere in grado di estrarre modelli fisici dai sistemi biologici".

Nel suo articolo, Sponberg fa previsioni sulla ricerca che sarà necessaria affinché la fisica dei sistemi viventi avanzi come campo:

• Come il feedback trasforma le dinamiche fisiologiche,
• Come aggregazioni di componenti viventi, dagli esseri umani alle formiche ai motori molecolari, sorgere su più scale, e
• In che modo i modelli robofisici di questi sistemi complessi possono portare a nuove scoperte e all'ingegneria avanzata.

I sistemi ingegnerizzati utilizzano il feedback sugli effetti delle loro azioni per regolare le loro attività future, e gli animali fanno lo stesso per controllare i loro movimenti. Gli scienziati possono manipolare questo feedback per capire come vengono messi insieme i sistemi complessi e utilizzare il feedback per progettare esperimenti anziché limitarsi ad analizzare cosa c'è.

"Usiamo sempre il feedback per muoverci attraverso il nostro ambiente, e il feedback è una cosa davvero speciale che influenza fondamentalmente il modo in cui si verificano le dinamiche, " ha detto Sponberg. "Ma usare il feedback per progettare gli esperimenti è davvero una novità".

Per esempio, nello studio di come le falene falchi seguono i fiori in condizioni di scarsa illuminazione, lui e i suoi colleghi hanno usato le dinamiche di feedback per isolare il modo in cui il cervello della falena regola la sua elaborazione in condizioni di scarsa illuminazione. Le falene possono ancora monitorare con precisione i movimenti dei fiori che si verificano meno di due volte al secondo, il che corrisponde alla frequenza con cui i fiori ondeggiano al vento.

Gli animali sono composti da molti sistemi che operano simultaneamente su più scale temporali:neuroni cerebrali, nervi e le singole fibre muscolari con motori molecolari. Queste fibre muscolari sono disposte in un reticolo cristallino attivo in modo tale che i raggi X sparati attraverso di esse creino un modello di diffrazione regolare. La comprensione di questi assemblaggi viventi multiscala fornisce nuove informazioni su come gli animali gestiscono azioni complesse.

Finalmente, Sponberg osserva nel suo articolo che i robot stanno svolgendo un ruolo sempre più ampio nel laboratorio di fisica come modelli funzionali in grado di esaminare i principi del movimento interagendo con il mondo reale. Nel laboratorio del professore associato della Georgia Tech Dan Goldman - uno dei colleghi di Sponberg - serpenti robotici, tartarughe, granchi e altre creature aiutano gli scienziati a capire cosa stanno osservando nel mondo naturale.

"I modelli fisici in movimento, i robot, possono essere strumenti molto potenti per comprendere questi sistemi complessi, " Ha detto Sponberg. "Possono permetterci di fare esperimenti sui robot che non potremmo fare sugli animali per vedere come interagiscono con ambienti complessi. Possiamo vedere quale fisica in questi sistemi è essenziale per i loro comportamenti".

Sponberg è stato ispirato a studiare l'interazione tra biologia e fisica degli organismi dalla notevole diversità del movimento animale e dalla dinamica non lineare, un campo reso popolare quando era un giovane studente dal libro best-seller del 1987 Chaos:Making a New Science scritto dall'ex giornalista del New York Times James Gleick. Sponberg spera che gli studenti di oggi - lettori di La fisica oggi - sarà anche ispirato.

"Ho votato su questo con la mia scelta di carriera, quindi penso che questa sia un'area scientifica molto eccitante, " Ha aggiunto.