Движение животных проанализировали с точки зрения термодинамики

Ученые из Сколковского института науки и технологий совместно с французскими коллегами разработали термодинамическую модель свободного движения животных. Оказалось, что минимизация продуктов жизнедеятельности имеет большее значение, чем повышение энергоэффективности, вне зависимости от формы движения, среды и скорости. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Обязательным условием экономии ресурсов, когда речь идет о механизмах, является максимальная эффективность преобразования энергии. Ученые давно ищут ответ на вопрос, лежит ли тот же принцип в основе свободного движения животных. Вполне естественно, что, находясь в стрессовой ситуации, животное вынуждено максимально использовать свои силы, а вот свободное движение, по-видимому, не подчиняется никакому четко определенному принципу. Фактически в вопросах о том, какое именно взаимодействие существует между управлением энергией и движением и как конкретно оптимизируются затраты энергии при разных видах движения, никогда не было полной ясности.

«Безусловно, в литературе можно найти огромное количество работ по этой тематике, однако большинство моделей опираются на большие наборы подходящих параметров для воспроизводства лишь части наблюдаемых параметров энергии, затрачиваемой на движение мышц, а это не позволяет получить четкое представление о механизмах термодинамических процессов. Кроме того, базовая модель мышечных движений была создана на основе оригинальных работ по исследованию фрагментов мышц мертвых животных, хотя важно понимать, как происходит преобразование химической энергии в механическую у живых организмов», — рассказывает соавтор исследования, профессор Сколтеха Кристоф Гупиль.

Первым шагом на пути к термодинамической модели движения для ученых из Сколтеха и их французских коллег стало создание модели преобразования энергии метаболизма в мышцах живых организмов.

«В нашей последней работе мы впервые ввели понятие энергетических затрат на физические усилия и сформулировали фундаментальный экстремальный принцип неравновесной термодинамики движения животных: свободное движение минимизирует производство продуктов метаболизма. Мы использовали опубликованные экспериментальные данные о разных темпах движения с разными биомеханическими режимами: ходьба, рысь и галоп. Наша модель позволила выявить определенные закономерности и расширить представление о движении всех видов животных», — подчеркивает руководитель работы Хенни Уэрдан.

Проделанная работа внесла существенный вклад в понимание движения в любой среде вне зависимости от конкретного вида животных и его происхождения. Интересно, что проведенное исследование проливает свет на естественный принцип движения, который может способствовать инновационному проектированию малоотходных технологий будущего. Полученные результаты могут также использоваться в биоинспирированной робототехнике при решении задач, связанных, в частности, с проприоцепцией и переменным механическим импедансом исполнительных устройств, которые, в свою очередь, могут способствовать дальнейшему развитию физических теорий жизни.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.