Lagartos nadadores de areia, cobras robóticas deslizando, mariposas que voam ao anoitecer e baratas correndo têm uma coisa em comum:estão cada vez mais sendo estudados por físicos interessados ​​em compreender as estratégias compartilhadas que essas criaturas desenvolveram para superar os desafios de se mover através de seus ambientes.

Ao analisar as regras que regem a locomoção dessas criaturas, Os pesquisadores da "física dos sistemas vivos" estão aprendendo como os animais negociam com sucesso em superfícies instáveis ​​como areia molhada, manter um movimento rápido em superfícies planas usando a mecânica vantajosa de seus corpos, e voar de maneiras que nunca funcionariam para aeronaves modernas. O conhecimento que esses pesquisadores desenvolvem pode ser útil para os projetistas de robôs e veículos voadores de todos os tipos.

"A locomoção é um ponto de acesso muito natural para entender como os sistemas biológicos interagem com o mundo, "disse Simon Sponberg, professor assistente na Escola de Física e na Escola de Ciências Biológicas do Instituto de Tecnologia da Geórgia. "Quando eles se movem, os animais mudam o ambiente ao seu redor para que possam se afastar dele e se mover por ele de maneiras diferentes. Esta capacidade é uma característica definidora dos animais. "

Sponberg passou sua carreira preenchendo a lacuna entre a física e a biologia do organismo - o estudo de criaturas complexas. Seu trabalho inclui estudar como as mariposas-falcão desaceleram seus sistemas nervosos para manter a visão durante condições de pouca luz, e como o músculo é um material versátil capaz de mudar a função de um freio para um motor ou mola.

Ele publicou recentemente um artigo de destaque, a matéria de capa da edição de setembro da revista American Institute of Physics Física Hoje , sobre o papel da física na locomoção animal. O artigo não pretendia ser uma revisão de todo o campo, mas sim para mostrar como a física do organismo - integrando sistemas fisiológicos complexos, a mecânica e o ambiente circundante em um animal inteiro - inspirou sua carreira.

"A interseção da física e da biologia do organismo é muito empolgante agora, "Sponberg disse." A montagem e interação de vários componentes naturais manifesta novos comportamentos e dinâmicas. A coleção desses componentes naturais manifesta padrões diferentes das partes individuais, e isso é fascinante. "

Apoiados por novas iniciativas em organizações como o Gabinete de Pesquisa do Exército e a Fundação Nacional de Ciências - que estão adotando essas fronteiras - os cientistas da Georgia Tech estão aprendendo as equações que ditam como as cobras se movem, entender como o espaçamento do cabelo no corpo das abelhas as ajuda a se manterem limpas, e usando equipamento de raio-X para ver como um lagarto africano incomum "nada" na areia seca.

"É um momento realmente empolgante para trabalhar na interseção da biologia evolutiva do organismo que se realiza nestes sistemas vivos que surgiram através do processo de evolução, composto de sistemas aparentemente muito complexos, "disse ele." Os sistemas biológicos são inescapavelmente complexos, mas isso não significa que não existam padrões de comportamento simples que possamos compreender. Agora temos as ferramentas modernas, abordagens e teoria de que precisamos para ser capaz de extrair padrões físicos de sistemas biológicos. "

Em seu artigo, Sponberg faz previsões sobre a pesquisa que será necessária para que a física dos sistemas vivos avance como um campo:

• Como o feedback transforma a dinâmica fisiológica,
• Como agregações de componentes vivos, de humanos a formigas a motores moleculares, surgem em múltiplas escalas, e
• Como os modelos robofísicos desses sistemas complexos podem levar a novas descobertas e ao avanço da engenharia.

Os sistemas projetados usam feedback sobre os efeitos de suas ações para ajustar suas atividades futuras, e os animais fazem o mesmo para controlar seus movimentos. Os cientistas podem manipular esse feedback para entender como sistemas complexos são montados e usar o feedback para projetar experimentos, em vez de apenas analisar o que está lá.

"Usamos feedback o tempo todo para nos movimentarmos em nosso ambiente, e o feedback é algo realmente especial que afeta fundamentalmente a forma como a dinâmica ocorre, "disse Sponberg." Mas usar feedback para projetar experimentos é realmente novo. "

Por exemplo, no estudo de como as mariposas-falcão rastreiam as flores durante condições de pouca luz, ele e seus colegas usaram a dinâmica de feedback para isolar como o cérebro da mariposa ajusta seu processamento na penumbra. As mariposas ainda podem rastrear com precisão os movimentos das flores que ocorrem menos de duas vezes por segundo - o que corresponde à frequência com que as flores balançam ao vento.

Os animais são compostos de muitos sistemas que operam em várias escalas de tempo simultaneamente - neurônios cerebrais, nervos e as fibras individuais de músculos com motores moleculares. Essas fibras musculares são organizadas em uma rede cristalina ativa de forma que os raios X disparados através delas criam um padrão de difração regular. A compreensão dessas assembléias vivas em várias escalas fornece novos insights sobre como os animais administram ações complexas.

Finalmente, Sponberg observa em seu artigo que os robôs estão desempenhando um papel cada vez maior no laboratório de física como modelos funcionais que podem examinar os princípios do movimento interagindo com o mundo real. No laboratório do professor Dan Goldman, associado da Georgia Tech - um dos colegas de Sponberg - cobras robóticas, tartarugas, caranguejos e outras criaturas ajudam os cientistas a entender o que estão observando no mundo natural.

"Mover modelos físicos - robôs - pode ser uma ferramenta muito poderosa para a compreensão desses sistemas complexos, "Sponberg disse." Eles podem nos permitir fazer experimentos em robôs que não poderíamos fazer em animais para ver como eles interagem com ambientes complexos. Podemos ver o que a física nesses sistemas é essencial para seus comportamentos. "

Sponberg foi inspirado a estudar a interação da biologia do organismo e da física pela notável diversidade do movimento animal e pela dinâmica não linear, um campo que se tornou popular quando ele era um jovem estudante com o livro best-seller de 1987, Chaos:Making a New Science, de autoria do ex-repórter do New York Times James Gleick. Sponberg espera que os alunos de hoje - leitores de Física Hoje - também será inspirado.

"Votei nisso com minha escolha de carreira, então eu acho que esta é uma área da ciência muito interessante, " ele adicionou.