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分析動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的基本法則

更新時(shí)間:2023-05-31      瀏覽次數(shù):864

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)的新見解,因此超出了我們的案例研究范圍," Ouerdane教授說。

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(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(xiàng)研究發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。


Skoltech教授Henni Ouerdane說:“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:“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(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。

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。



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