Se muestra una polilla halcón en una flor robótica utilizada para estudiar la capacidad del insecto para rastrear la flor en movimiento en condiciones de poca luz. La investigación muestra que las criaturas pueden ralentizar sus cerebros para mejorar la visión en condiciones de poca luz, mientras continúan realizando tareas exigentes. Crédito:Rob Felt, Georgia Tech
Lagartijas que nadan en la arena, serpientes robóticas deslizantes, Las polillas que vuelan al anochecer y las cucarachas que corren tienen una cosa en común:están siendo estudiadas cada vez más por físicos interesados en comprender las estrategias compartidas que estas criaturas han desarrollado para superar los desafíos de moverse a través de sus entornos.
Al analizar las reglas que gobiernan la locomoción de estas criaturas, Los investigadores de "física de los sistemas vivos" están aprendiendo cómo los animales superan con éxito superficies inestables como arena húmeda, mantener un movimiento rápido en superficies planas utilizando la mecánica ventajosa de sus cuerpos, y volar de formas que nunca funcionarían para aviones modernos. El conocimiento que desarrollan estos investigadores podría ser útil para los diseñadores de robots y vehículos voladores de todo tipo.
"La locomoción es un punto de acceso muy natural para comprender cómo los sistemas biológicos interactúan con el mundo, "dijo Simon Sponberg, profesor asistente en la Facultad de Física y la Facultad de Ciencias Biológicas del Instituto de Tecnología de Georgia. "Cuando se mueven, los animales cambian el entorno que los rodea para que puedan alejarse de él y moverse a través de él de diferentes maneras. Esta capacidad es una característica definitoria de los animales ".
Sponberg ha pasado su carrera cerrando la brecha entre la física y la biología de los organismos:el estudio de criaturas complejas. Su trabajo incluye estudiar cómo las polillas halcón ralentizan su sistema nervioso para mantener la visión en condiciones de poca luz, y cómo el músculo es un material versátil capaz de cambiar la función de un freno a un motor o resorte.
Recientemente publicó un artículo destacado, el artículo de portada de la edición de septiembre de la revista American Institute of Physics Física hoy , sobre el papel de la física en la locomoción animal. El artículo no pretendía ser una revisión de todo el campo, sino más bien para mostrar cómo la física de los organismos, integrando complejos sistemas fisiológicos, la mecánica y el entorno circundante en un animal completo, ha inspirado su carrera.
"La intersección de la física y la biología de los organismos es muy emocionante en este momento, Sponberg dijo. “El ensamblaje y la interacción de múltiples componentes naturales manifiesta nuevos comportamientos y dinámicas. La colección de estos componentes naturales manifiesta patrones diferentes a los de las partes individuales, y eso es fascinante ".
El investigador de Georgia Tech, Simon Sponberg, sostiene una polilla halcón ( Manduca sexta ). La investigación sobre este insecto del tamaño de un colibrí muestra que las criaturas pueden ralentizar sus cerebros para mejorar la visión en condiciones de poca luz, mientras continúan realizando tareas exigentes. Crédito:Rob Felt, Georgia Tech
Con el apoyo de nuevas iniciativas en organizaciones como la Oficina de Investigación del Ejército y la Fundación Nacional de Ciencias, que están adoptando estas fronteras, los científicos de Georgia Tech están aprendiendo las ecuaciones que dictan cómo se mueven las serpientes. comprender cómo el espaciado del cabello en el cuerpo de las abejas las ayuda a mantenerse limpias, y el uso de equipos de rayos X para ver cómo un inusual lagarto africano "nada" a través de la arena seca.
"Es un momento realmente emocionante para trabajar en la intersección de la biología del organismo evolutivo que se realiza en estos sistemas vivos que han surgido a través del proceso de evolución, compuesto por sistemas aparentemente muy complejos, ", dijo." Los sistemas biológicos son ineludiblemente complejos, pero eso no significa que no haya patrones simples de comportamiento que podamos comprender. Ahora tenemos las herramientas modernas, enfoques y teoría de que necesitamos ser capaces de extraer patrones físicos de sistemas biológicos ".
En su artículo, Sponberg hace predicciones sobre la investigación que será necesaria para que la física de los sistemas vivos avance como campo:
Los sistemas de ingeniería utilizan la retroalimentación sobre los efectos de sus acciones para ajustar sus actividades futuras, y los animales hacen lo mismo para controlar su movimiento. Los científicos pueden manipular esta retroalimentación para comprender cómo se ensamblan los sistemas complejos y utilizar la retroalimentación para diseñar experimentos en lugar de simplemente analizar lo que hay allí.
"Usamos la retroalimentación todo el tiempo para movernos por nuestro entorno, y la retroalimentación es algo realmente especial que afecta fundamentalmente cómo ocurren las dinámicas, ", dijo Sponberg." Pero usar la retroalimentación para diseñar experimentos es realmente algo nuevo ".
Una polilla halcón en medio del movimiento del ala desenrolla su probóscide para alimentarse de una flor de Nicotiana. Estas ágiles polillas flotan en el aire y siguen los movimientos de las flores hasta 10 veces por segundo incluso en niveles de luz tan tenues como la luz de una estrella. Para permanecer en el aire capturan vórtices de aire en sus alas. Crédito:Megan Matthews
Por ejemplo, en el estudio de cómo las polillas halcón rastrean las flores en condiciones de poca luz, él y sus colegas utilizaron la dinámica de retroalimentación para aislar cómo el cerebro de la polilla ajusta su procesamiento en condiciones de poca luz. Las polillas aún pueden rastrear con precisión los movimientos de las flores que ocurren menos de dos veces por segundo, lo que coincide con la frecuencia con la que las flores se mecen con el viento.
Los animales están compuestos por muchos sistemas que operan en múltiples escalas de tiempo simultáneamente:neuronas cerebrales, los nervios y las fibras individuales de los músculos con motores moleculares. Estas fibras musculares están dispuestas en una red cristalina activa de modo que los rayos X disparados a través de ellas crean un patrón de difracción regular. La comprensión de estos conjuntos vivos de múltiples escalas proporciona nuevos conocimientos sobre cómo los animales manejan acciones complejas.
Finalmente, Sponberg señala en su artículo que los robots están desempeñando un papel cada vez más importante en el laboratorio de física como modelos funcionales que pueden examinar los principios del movimiento al interactuar con el mundo real. En el laboratorio del profesor asociado de Georgia Tech Dan Goldman, uno de los colegas de Sponberg, serpientes robóticas, tortugas los cangrejos y otras criaturas ayudan a los científicos a comprender lo que están observando en el mundo natural.
"Los modelos físicos en movimiento (robots) pueden ser herramientas muy poderosas para comprender estos sistemas complejos, ", Dijo Sponberg." Pueden permitirnos hacer experimentos con robots que no podríamos hacer en animales para ver cómo interactúan con entornos complejos. Podemos ver qué física en estos sistemas es esencial para sus comportamientos ".
Sponberg se inspiró para estudiar la interacción de la biología y la física de los organismos por la notable diversidad del movimiento animal y por la dinámica no lineal. un campo que se hizo popular cuando era un joven estudiante por el libro más vendido de 1987 Chaos:Making a New Science, escrito por el ex reportero del New York Times James Gleick. Sponberg espera que los estudiantes de hoy, lectores de Física hoy —También se inspirará.
"Voté sobre esto con mi elección de carrera, por eso creo que se trata de áreas científicas muy interesantes, "añadió.
