Плавающие в песке ящерицы, скользящие роботизированные змеи, летающие в сумерках мотыльки и бегающие тараканы имеют одну общую черту: физики все чаще изучают их, стремясь понять общие стратегии, которые эти существа разработали для преодоления трудностей. перемещения через окружающую среду.
Анализируя правила, управляющие передвижением этих существ, исследователи «физики живых систем» изучают, как животные успешно передвигаются по неустойчивым поверхностям, таким как мокрый песок, поддерживают быстрое движение на плоских поверхностях, используя выгодную механику своего тела, и летать способами, которые никогда не сработали бы для современных самолетов. Знания, полученные этими исследователями, могут быть полезны разработчикам роботов и летательных аппаратов всех видов.
«Передвижение - это очень естественная точка доступа для понимания того, как биологические системы взаимодействуют с миром», - сказал Саймон Спонберг, доцент Школы физики и Школы биологических наук Технологического института Джорджии. «Когда они двигаются, животные меняют окружающую их среду, поэтому они могут отталкиваться от нее и двигаться в ней разными способами. Эта способность является определяющей чертой животных».
Спонберг посвятил свою карьеру преодолению разрыва между физикой и биологией организмов - изучением сложных существ. Его работа включает в себя изучение того, как бражники замедляют свою нервную систему, чтобы поддерживать зрение в условиях низкой освещенности, и как мышцы являются универсальным материалом, способным менять функцию с тормоза на двигатель или пружину.
Недавно он опубликовал статью на обложке сентябрьского номера журнала Physics Today Американского института физики о роли физики в передвижении животных. Статья не предназначалась для обзора всей области, а скорее для того, чтобы показать, как физика организма, объединяющая сложные физиологические системы, механику и окружающую среду в целостное животное, вдохновила его на карьеру.
«Пересечение физики и биологии организма сейчас очень интересно», - сказал Спонберг. «Сборка и взаимодействие нескольких природных компонентов проявляет новое поведение и динамику. Набор этих природных компонентов демонстрирует другие закономерности, чем отдельные части, и это увлекательно».
При поддержке новых инициатив таких организаций, как Армейское исследовательское управление и Национальный научный фонд, которые охватывают эти границы, ученые Технологического института Джорджии изучают уравнения, которые определяют, как двигаются змеи, понимая, как расстояние между волосами на теле пчел помогают им оставаться чистыми, а с помощью рентгеновского оборудования увидеть, как необычная африканская ящерица «плавает» по сухому песку.
«Это действительно захватывающее время, чтобы работать на стыке эволюционной биологии организмов, которая реализуется в этих живых системах, которые возникли в процессе эволюции и состоят из, казалось бы, очень сложных систем», - сказал он. «Биологические системы неизбежно сложны, но это не значит, что нет простых паттернов поведения, которые мы можем понять. Теперь у нас есть современные инструменты, подходы и теории, необходимые для извлечения физических паттернов из биологических систем."
В своей статье Спонберг делает прогнозы относительно исследований, которые потребуются для развития физики живых систем как области:
- Как обратная связь трансформирует физиологическую динамику,
- Как скопления живых компонентов, от людей до муравьев и молекулярных двигателей, возникают в различных масштабах, и
- Как робо-физические модели этих сложных систем могут привести к новым открытиям и передовым разработкам.
Спроектированные системы используют обратную связь о последствиях своих действий, чтобы скорректировать свою будущую деятельность, и животные делают то же самое, чтобы контролировать свои движения. Ученые могут манипулировать этой обратной связью, чтобы понять, как устроены сложные системы, и использовать обратную связь для разработки экспериментов, а не просто для анализа того, что есть.
«Мы все время используем обратную связь, чтобы перемещаться по окружающей среде, а обратная связь - это действительно особая вещь, которая коренным образом влияет на то, как происходит динамика», - сказал Спонберг. «Но использование обратной связи для разработки экспериментов - это действительно что-то новое».
Например, при изучении того, как бражники отслеживают цветы в условиях низкой освещенности, он и его коллеги использовали динамику обратной связи, чтобы определить, как мозг бабочки регулирует свою обработку в условиях тусклого освещения. Мотыльки по-прежнему могут точно отслеживать движения цветов, которые происходят менее двух раз в секунду, что соответствует частоте, с которой цветы качаются на ветру.
Животные состоят из многих систем, работающих одновременно в нескольких масштабах времени: нейронов мозга, нервов и отдельных волокон мышц с молекулярными моторами. Эти мышечные волокна образуют активную кристаллическую решетку, так что проходящие через них рентгеновские лучи создают правильную дифракционную картину. Понимание этих многоуровневых живых сообществ позволяет по-новому взглянуть на то, как животные управляют сложными действиями.
Наконец, Спонберг отмечает в своей статье, что роботы играют все большую роль в физической лаборатории как функциональные модели, которые могут исследовать принципы движения, взаимодействуя с реальным миром. В лаборатории доцента Технологического института Джорджии Дэна Голдмана - одного из коллег Спонберга - роботизированные змеи, черепахи, крабы и другие существа помогают ученым понять, что они наблюдают в естественном мире.
«Движущиеся физические модели - роботы - могут быть очень мощными инструментами для понимания этих сложных систем», - сказал Спонберг.«Они могут позволить нам проводить эксперименты на роботах, которые мы не могли проводить на животных, чтобы увидеть, как они взаимодействуют со сложными средами. Мы можем увидеть, какая физика в этих системах важна для их поведения».
Спонберг был вдохновлен на изучение взаимодействия биологии организмов и физики удивительным разнообразием движений животных и нелинейной динамикой, областью, ставшей популярной, когда он был молодым студентом, благодаря бестселлеру 1987 года «Хаос: Создание New Science под авторством бывшего репортера New York Times Джеймса Глейка. Спонберг надеется, что нынешние студенты - читатели Physics Today - тоже вдохновятся.
"Я проголосовал за это при выборе своей карьеры, так что я думаю, что это очень интересная область науки", добавил он.