C'è un principio unificante alla base della locomozione animale nella sua ricca diversità? Un'analisi termodinamica eseguita da un professore di Skoltech e dai suoi collaboratori francesi all'Université Paris Diderot, Université Paris Saclay, e il Muséum national d'Histoire Naturelle, mostra perché e come la minimizzazione dei rifiuti prevale sull'efficienza o sulla massimizzazione della potenza quando si tratta di libera locomozione indipendentemente dalla modalità e dalle andature disponibili. La ricerca è pubblicata su Lettere di revisione fisica .

"La locomozione è un segno distintivo della vita animale, " dice il professore di Skoltech Henni Ouerdane, "ed è per questo che ha affascinato i pensatori almeno dai tempi di Aristotele". Il prof. Ouerdane aggiunge che "nel tardo XIX secolo l'invenzione di Eadweard Muybridge, lo zooprassiscopio, un precursore del cinema, folle ipnotizzate che testimoniano la meravigliosa complessità della biomeccanica; e che seguirono naturalmente confronti dettagliati tra macchine viventi e macchine create dall'uomo, ma con un successo molto limitato per spiegare la vita."

Per le macchine create dall'uomo, la massimizzazione dell'efficienza di conversione energetica è un must per risparmiare risorse, ma questo vale per gli animali quando si muovono liberamente? Rispondere a questa domanda pone una sfida formidabile considerando il carattere multiforme della vita animale e degli habitat. La massimizzazione del potere è l'obiettivo ovvio in contesti stressanti, caccia alla preda o fuga; ma nessun principio chiaro, se del caso, sembrava applicarsi alla locomozione libera. Infatti, l'interazione dettagliata tra gestione dell'energia e locomozione, e in particolare l'ottimizzazione del dispendio energetico attraverso le andature, era sempre rimasto inafferrabile.

Prof. Ouerdane e il suo principale collaboratore, Prof. Christophe Goupil, aveva precedentemente studiato a fondo la termodinamica di non equilibrio dei convertitori di energia, ma il salto alla fisica della vita era una prospettiva scoraggiante. Infatti, la formulazione di un generico modello compatto di locomozione di sistemi altamente complessi come gli organismi viventi sembrava fuori portata. "Certo, la letteratura sul tema è ricca e abbondante, ma molti modelli si basano su ampi set di parametri di adattamento per riprodurre parte dell'energia osservata dell'azione muscolare, che in qualche modo ostacola una visione chiara dei processi termodinamici in atto. Ulteriore, il modello muscolare di base deriva da lavori originali che utilizzano morti, muscoli sezionati, mentre si vuole capire la conversione di energia da chimica a meccanica negli organismi viventi, " dice il prof. Goupil.

Il primo passo verso un modello termodinamico di locomozione è stato un vero e proprio modello di conversione dell'energia metabolica in effettivi, muscoli vivi. Questo lavoro, pubblicato in Nuovo Giornale di Fisica nel 2019, dal Prof. Ouerdane e dai suoi collaboratori, ha sottolineato la necessità di considerare rigorosamente le particolari condizioni al contorno a cui è sottoposto un muscolo vivo sotto carico, e i loro effetti di feedback relativi all'intensità metabolica. Il loro lavoro ha quindi colmato un divario eccezionale tra modelli muscolari inerti e muscoli vivi messi al lavoro da un animale reale.

"Nel nostro ultimo lavoro, introducendo il costo energetico degli sforzi, abbiamo svelato un principio estremo fondamentale della termodinamica di non equilibrio della locomozione animale:la locomozione libera comporta la minimizzazione della produzione di rifiuti metabolici. Abbiamo utilizzato i dati sperimentali pubblicati per la camminata, trotto, e galoppare, ogni andatura rappresenta condizioni di lavoro biomeccaniche differenti. Abbiamo recuperato le tendenze con il nostro modello, e ha fornito nuove informazioni sulla locomozione animale, andando quindi oltre il nostro caso di studio, " dice il prof. Ouerdane.

Questa ricerca contribuisce a significativi progressi nella comprensione della locomozione in qualsiasi ambiente (terrestre, aereo, acquatico) indipendentemente dalla filogenesi. interessante, mette in luce anche un principio naturale che può guidare il design innovativo delle future macchine a basso consumo di rifiuti prodotte dall'uomo, e può anche alimentare la robotica bioispirata per problemi relativi a, per esempio., propriocezione e impedenza meccanica variabile degli attuatori, che a sua volta potrebbe far avanzare lo sviluppo di teorie della vita basate sulla fisica.