¿Existe un principio unificador que sustenta la locomoción animal en su rica diversidad? Un análisis termodinámico realizado por un profesor de Skoltech y sus colaboradores franceses en la Université Paris Diderot, Universidad Paris Saclay, y el Muséum national d'Histoire Naturelle, muestra por qué y cómo la minimización del desperdicio prevalece sobre la eficiencia o la maximización de la potencia cuando se trata de la locomoción libre, independientemente del modo disponible y los pasos. La investigación se publica en el Cartas de revisión física .

"La locomoción es un sello distintivo de la vida animal, "dice el profesor de Skoltech Henni Ouerdane, "y por eso ha fascinado a los pensadores desde al menos la época de Aristóteles". El profesor Ouerdane añade que "a finales del siglo XIX, la invención de Eadweard Muybridge, el zoopraxiscopio, un precursor de la película, multitudes hipnotizadas que presencian la hermosa complejidad de la biomecánica; y que las comparaciones detalladas entre las máquinas vivientes y las hechas por el hombre siguieron naturalmente, pero con muy poco éxito para explicar la vida ".

Para las máquinas hechas por el hombre, la maximización de la eficiencia de conversión de energía es imprescindible para ahorrar recursos, pero, ¿se aplica esto a los animales cuando se mueven libremente? Responder a esta pregunta plantea un desafío formidable considerando el carácter multiforme de la vida y los hábitats animales. La maximización del poder es el objetivo obvio en contextos estresantes, caza de presas o huida; pero no hay un principio claro, Si alguna, parecía aplicarse a la locomoción libre. De hecho, la interacción detallada entre la gestión de la energía y la locomoción, y, en particular, la optimización del gasto energético en la marcha, siempre había sido esquivo.

Prof. Ouerdane y su principal colaborador, Prof. Christophe Goupil, previamente había estudiado extensamente la termodinámica de desequilibrio de los convertidores de energía, pero el salto a la física de la vida fue una perspectiva abrumadora. En efecto, la formulación de un modelo compacto genérico de locomoción de sistemas altamente complejos, como los organismos vivos, parecía fuera de alcance. "Por supuesto, la literatura sobre el tema es rica y abundante, pero muchos modelos se basan en grandes conjuntos de parámetros de ajuste para reproducir parte de la energía observada de la acción muscular, lo que de alguna manera dificulta una visión clara de los procesos termodinámicos en funcionamiento. Más lejos, el modelo muscular básico se deriva de trabajos originales que utilizan muertos, músculos disecados, mientras que uno quiere comprender la conversión de energía química a mecánica en los organismos vivos, "dice el profesor Goupil.

El primer paso hacia un modelo termodinámico de locomoción fue un modelo adecuado de conversión de energía metabólica en la realidad, músculos vivos. Este trabajo, publicado en el Nueva Revista de Física en 2019, por el Prof. Ouerdane y sus colaboradores, hizo hincapié en la necesidad de considerar rigurosamente las condiciones de contorno particulares a las que está sometido un músculo vivo bajo carga, y sus efectos de retroalimentación relacionados con la intensidad metabólica. De este modo, su trabajo cerró una brecha sobresaliente entre los modelos de músculos inertes y el músculo vivo puesto a trabajar por un animal real.

"En nuestro último trabajo, introduciendo el costo energético de los esfuerzos, desentrañamos un principio fundamental fundamental de la termodinámica del desequilibrio de la locomoción animal:la locomoción libre implica la minimización de la producción de desechos metabólicos. Usamos datos experimentales publicados para caminar, trote, y galopar, cada paso representa diferentes condiciones de trabajo biomecánicas. Recuperamos las tendencias con nuestro modelo, y proporcionó nuevos conocimientos sobre la locomoción animal, por lo tanto, yendo más allá de nuestro estudio de caso, "dice el profesor Ouerdane.

Esta investigación contribuye a un progreso significativo en la comprensión de la locomoción en cualquier entorno (terrestre, aéreo, acuático) independientemente de la filogenia. Curiosamente, También arroja luz sobre un principio natural que puede impulsar el diseño innovador de las futuras máquinas eficientes en residuos artificiales, y también puede alimentar a la robótica bioinspirada para problemas relacionados con, p.ej., propiocepción e impedancia mecánica variable de actuadores, lo que a su vez podría impulsar el desarrollo de teorías de la vida basadas en la física.