Existe um princípio unificador que sustenta a locomoção animal em sua rica diversidade? Uma análise termodinâmica realizada por um professor Skoltech e seus colaboradores franceses na Université Paris Diderot, Université Paris Saclay, e o Muséum national d'Histoire Naturelle, mostra por que e como a minimização de resíduos prevalece sobre a eficiência ou maximização da potência quando se trata de locomoção livre, independentemente do modo e andaduras disponíveis. A pesquisa é publicada no Cartas de revisão física .

"A locomoção é uma marca registrada da vida animal, "diz o professor Henni Ouerdane da Skoltech, "e é por isso que fascina pensadores desde, pelo menos, a época de Aristóteles." O Prof. Ouerdane acrescenta que "na invenção de Eadweard Muybridge do final do século 19, o zoopraxiscópio, um precursor do filme, multidões hipnotizadas testemunhando a bela complexidade da biomecânica; e que comparações detalhadas entre máquinas vivas e feitas pelo homem naturalmente seguiram, mas com sucesso muito limitado para explicar a vida. "

Para as máquinas feitas pelo homem, a maximização da eficiência de conversão de energia é uma necessidade para economizar recursos, mas isso se aplica a animais quando eles se movem livremente? Responder a essa pergunta representa um desafio formidável, considerando o caráter multiforme da vida animal e dos habitats. A maximização de potência é o alvo óbvio em contextos estressantes, perseguição ou fuga de presas; mas nenhum princípio claro, caso existam, parecia aplicar-se à locomoção livre. Na verdade, a interação detalhada entre gerenciamento de energia e locomoção, e, em particular, a otimização do gasto de energia em movimentos, sempre permaneceu evasivo.

Prof. Ouerdane e seu principal colaborador, Prof. Christophe Goupil, já havia estudado extensivamente a termodinâmica de não-equilíbrio de conversores de energia, mas o salto para a física da vida era uma perspectiva assustadora. De fato, a formulação de um modelo compacto genérico de locomoção de sistemas altamente complexos, como organismos vivos, parecia fora de alcance. "Claro, a literatura sobre o assunto é rica e abundante, mas muitos modelos contam com grandes conjuntos de parâmetros de ajuste para reproduzir parte da energia observada da ação muscular, o que de alguma forma dificulta uma visão clara dos processos termodinâmicos em funcionamento. Avançar, o modelo muscular básico deriva de trabalhos originais usando mortos, músculos dissecados, enquanto se quer entender a conversão de energia química em mecânica em organismos vivos, "diz o Prof. Goupil.

O primeiro passo para um modelo termodinâmico de locomoção foi um modelo adequado de conversão de energia metabólica real, músculos vivos. Este trabalho, publicado no New Journal of Physics em 2019, pelo Prof. Ouerdane e seus colaboradores, enfatizou a necessidade de considerar rigorosamente as condições de contorno particulares às quais um músculo vivo sob carga está sujeito, e seus efeitos de feedback relacionados à intensidade metabólica. Seu trabalho, portanto, preencheu uma lacuna notável entre os modelos de músculo inerte e o músculo vivo colocado para trabalhar por um animal real.

"Em nosso último trabalho, introduzindo o custo de energia dos esforços, nós desvendamos um princípio fundamental extremo da termodinâmica de não-equilíbrio da locomoção animal:a locomoção livre acarreta a minimização da produção de resíduos metabólicos. Usamos dados experimentais publicados para caminhada, trote, e galope, cada marcha representando diferentes condições biomecânicas de trabalho. Recuperamos as tendências com nosso modelo, e forneceu novos insights sobre a locomoção animal, portanto, indo além do nosso estudo de caso, "diz o Prof. Ouerdane.

Esta pesquisa contribui para um progresso significativo na compreensão da locomoção em qualquer ambiente (terrestre, aéreo, aquático) independentemente da filogenia. Interessantemente, também lança luz sobre um princípio natural que pode impulsionar o design inovador de futuras máquinas com eficiência de resíduos feitas pelo homem, e também pode alimentar a robótica bioinspirada para problemas relacionados a, por exemplo., propriocepção e impedância mecânica variável de atuadores, o que, por sua vez, poderia promover o desenvolvimento de teorias da vida baseadas na física.