废物最少化是动物运动的基本法则

是否存在统一的原则来支持动物运动的丰富多样性?Skoltech教授和他的法国合作者在巴黎狄德罗大学，巴黎萨克雷大学和国家历史自然博物馆进行的热力学分析表明，在自由运动方面，无论如何，废物最小化在效率或功率最大化方面为何占主导地位，无论如何，浪费最小化可用的模式和步态。这项研究发表在《物理评论快报》上。

Skoltech教授Henni Ouerdane说：“运动是动物生命的标志，这就是为什么至少从亚里斯多德时代起，它就吸引了思想家。” Ouerdane教授补充说：“在19世纪末期，Eadwear Muybridge的发明，即动物透视镜，是电影的前身，迷住了人群，目睹了生物力学的美丽复杂性;随后自然而然地对生活和人造机器进行了详细的比较，但是解释人生的成功非常有限。”

对于人造机器，必须最大限度地提高能量转换效率才能节省资源，但这是否适用于动物自由活动的动物?考虑到动物生命和栖息地的多种形式，回答这个问题提出了巨大的挑战。在压力大的环境中，追逐猎物或逃跑时，功率最大化是显而易见的目标。但是似乎没有明确的原理(如果有的话)适用于自由运动。实际上，能量管理和运动之间的详细相互作用，尤其是跨步态的能量消耗的优化始终难以捉摸。

Ouerdane教授和他的主要合作者Christophe Goupil教授以前曾广泛研究能量转换器的非平衡热力学，但是，生命物理的飞跃是一个艰巨的前景。确实，似乎无法实现高度复杂的系统(例如活生物体)运动的通用紧凑模型。“当然，有关该主题的文献非常丰富，但是许多模型都依赖大量的拟合参数来重现观察到的部分肌肉动作能量，这在某种程度上阻碍了人们对工作中热力学过程的清晰认识。此外，基本的肌肉模型源自使用死去的解剖肌肉的原始作品，而一个人则想了解活生物体中化学到机械能的转化。” Goupil教授说。

运动热力学模型的第一步是在实际的活肌肉中代谢能量转换的适当模型。这项工作由Ouerdane教授及其合作者于2019年在《新物理学》上发表，强调必须严格考虑活肌在负荷下所处的特定边界条件，以及它们与代谢强度有关的反馈效应。因此，他们的工作弥合了惰性肌肉模型与实际动物投入工作的活肌肉之间的巨大差距。

“在最新的工作中，介绍了努力的能量成本，我们阐明了动物运动非平衡热力学的基本极端原理：自由运动需要最大程度地减少代谢废物的产生。我们使用已发表的步行，小跑和驰gall实验数据，每个步态代表了不同的生物力学工作条件。我们通过模型恢复了趋势，并提供了关于动物运动的新见解，因此超出了我们的案例研究范围，” Ouerdane教授说。

这项研究有助于在独立于系统发育的任何环境(陆地，空中，水生)的运动理解方面取得重大进展。有趣的是，它还阐明了自然原理，可以驱动未来的人造废旧高效机器的创新设计，并且还可以为受生物启发的机器人提供解决方案，例如与执行器的本体感受和可变机械阻抗有关的问题。反过来可以促进基于物理学的生命理论的发展。