Un sphinx est montré sur une fleur robotisée utilisée pour étudier la capacité de l'insecte à suivre la fleur en mouvement dans des conditions de faible luminosité. La recherche montre que les créatures peuvent ralentir leur cerveau pour améliorer la vision dans des conditions de faible luminosité - tout en continuant à effectuer des tâches exigeantes. Crédit :Rob Felt, Géorgie Tech
Lézards nageurs de sable, serpents robotiques rampants, les papillons nocturnes et les cafards qui courent ont tous une chose en commun :ils sont de plus en plus étudiés par des physiciens intéressés à comprendre les stratégies communes que ces créatures ont développées pour surmonter les défis de se déplacer dans leur environnement.
En analysant les règles régissant la locomotion de ces créatures, Les chercheurs en "physique des systèmes vivants" apprennent comment les animaux négocient avec succès des surfaces instables comme le sable humide, maintenir un mouvement rapide sur des surfaces planes en utilisant la mécanique avantageuse de leurs corps, et voler d'une manière qui ne fonctionnerait jamais pour les avions modernes. Les connaissances développées par ces chercheurs pourraient être utiles aux concepteurs de robots et de véhicules volants de toutes sortes.
"La locomotion est un point d'accès très naturel pour comprendre comment les systèmes biologiques interagissent avec le monde, " dit Simon Sponberg, professeur adjoint à l'École de physique et à l'École des sciences biologiques du Georgia Institute of Technology. "Quand ils bougent, les animaux modifient l'environnement qui les entoure afin qu'ils puissent s'en éloigner et s'y déplacer de différentes manières. Cette capacité est une caractéristique déterminante des animaux. »
Sponberg a passé sa carrière à combler le fossé entre la physique et la biologie des organismes, l'étude des créatures complexes. Son travail comprend l'étude de la façon dont les phalènes ralentissent leur système nerveux pour maintenir la vision dans des conditions de faible luminosité, et comment le muscle est un matériau polyvalent capable de changer la fonction d'un frein à un moteur ou à un ressort.
Il a récemment publié un article de fond, la couverture du numéro de septembre du magazine American Institute of Physics La physique aujourd'hui , sur le rôle de la physique dans la locomotion animale. L'article n'a pas été conçu comme une revue de l'ensemble du domaine, mais plutôt de montrer comment la physique des organismes, intégrant des systèmes physiologiques complexes, la mécanique et l'environnement qui l'entoure en un animal entier - a inspiré sa carrière.
"L'intersection de la physique et de la biologie des organismes est très excitante en ce moment, " Sponberg a déclaré. "L'assemblage et l'interaction de plusieurs composants naturels manifeste de nouveaux comportements et dynamiques. La collection de ces composants naturels manifeste des motifs différents de ceux des parties individuelles, et c'est fascinant."
Le chercheur de Georgia Tech Simon Sponberg est titulaire d'un sphinx ( Manduca sexta ). Les recherches sur cet insecte de la taille d'un colibri montrent que les créatures peuvent ralentir leur cerveau pour améliorer la vision dans des conditions de faible luminosité, tout en continuant à effectuer des tâches exigeantes. Crédit :Rob Felt, Géorgie Tech
Soutenus par de nouvelles initiatives d'organisations telles que l'Army Research Office et la National Science Foundation - qui embrassent ces frontières - les scientifiques de Georgia Tech apprennent les équations qui dictent la façon dont les serpents se déplacent, comprendre comment l'espacement des poils sur le corps des abeilles les aide à rester propres, et en utilisant un équipement à rayons X pour voir comment un lézard africain inhabituel "nage" à travers le sable sec.
"C'est une période vraiment passionnante pour travailler à l'intersection de la biologie évolutive des organismes qui est réalisée dans ces systèmes vivants qui sont nés du processus d'évolution, composé de systèmes apparemment très complexes, " a-t-il dit. " Les systèmes biologiques sont inévitablement complexes, mais cela ne veut pas dire qu'il n'y a pas de modèles de comportement simples que nous pouvons comprendre. Nous avons maintenant les outils modernes, approches et la théorie dont nous avons besoin pour être en mesure d'extraire des modèles physiques des systèmes biologiques. »
Dans son article, Sponberg fait des prédictions sur les recherches qui seront nécessaires pour que la physique des systèmes vivants progresse en tant que domaine :
Les systèmes d'ingénierie utilisent le retour d'informations sur les effets de leurs actions pour ajuster leurs activités futures, et les animaux font de même pour contrôler leurs mouvements. Les scientifiques peuvent manipuler ce retour d'information pour comprendre comment des systèmes complexes sont assemblés et utiliser le retour d'information pour concevoir des expériences plutôt que simplement analyser ce qui s'y trouve.
« Nous utilisons les commentaires tout le temps pour nous déplacer dans notre environnement, et la rétroaction est une chose vraiment spéciale qui affecte fondamentalement la façon dont la dynamique se produit, ", a déclaré Sponberg. "Mais utiliser les commentaires pour concevoir des expériences est vraiment nouveau."
Un sphinx à mi-course de l'aile déroule sa trompe pour se nourrir d'une fleur de Nicotiana. Ces papillons agiles planent dans les airs et suivent les mouvements des fleurs jusqu'à 10 fois par seconde, même à des niveaux de luminosité faibles. Pour rester en l'air, ils capturent des tourbillons d'air sur leurs ailes. Crédit :Megan Matthews
Par exemple, dans l'étude de la façon dont les phalènes suivent les fleurs dans des conditions de faible luminosité, lui et ses collègues ont utilisé la dynamique de rétroaction pour isoler la façon dont le cerveau du papillon ajuste son traitement dans la pénombre. Les papillons peuvent toujours suivre avec précision les mouvements des fleurs qui se produisent moins de deux fois par seconde, ce qui correspond à la fréquence à laquelle les fleurs se balancent dans le vent.
Les animaux sont composés de nombreux systèmes fonctionnant à plusieurs échelles de temps simultanément - neurones cérébraux, nerfs et les fibres individuelles des muscles avec des moteurs moléculaires. Ces fibres musculaires sont disposées en un réseau cristallin actif de telle sorte que les rayons X qui les traversent créent un motif de diffraction régulier. La compréhension de ces assemblages vivants à plusieurs échelles fournit de nouvelles informations sur la façon dont les animaux gèrent des actions complexes.
Finalement, Sponberg note dans son article que les robots jouent un rôle de plus en plus important dans le laboratoire de physique en tant que modèles fonctionnels pouvant examiner les principes du mouvement en interagissant avec le monde réel. Dans le laboratoire du professeur agrégé de Georgia Tech Dan Goldman - l'un des collègues de Sponberg - des serpents robotiques, tortues, les crabes et autres créatures aident les scientifiques à comprendre ce qu'ils observent dans le monde naturel.
« Les modèles physiques en mouvement, les robots, peuvent être des outils très puissants pour comprendre ces systèmes complexes, " a déclaré Sponberg. "Ils peuvent nous permettre de faire des expériences sur des robots que nous ne pourrions pas faire sur des animaux pour voir comment ils interagissent avec des environnements complexes. Nous pouvons voir quelle physique dans ces systèmes est essentielle à leurs comportements."
Sponberg a été inspiré pour étudier l'interaction de la biologie et de la physique des organismes par la diversité remarquable du mouvement animal et par la dynamique non linéaire, un domaine rendu populaire quand il était un jeune étudiant par le best-seller de 1987 Chaos:Making a New Science écrit par l'ancien journaliste du New York Times James Gleick. Sponberg espère que les étudiants d'aujourd'hui - lecteurs de La physique aujourd'hui -sera également inspiré.
"J'ai voté là-dessus avec mon choix de carrière, donc je pense que c'est un domaine très excitant de la science, " il ajouta.
