Existe-t-il un principe fédérateur qui sous-tend la locomotion animale dans sa riche diversité ? Une analyse thermodynamique réalisée par un professeur Skoltech et ses collaborateurs français à l'Université Paris Diderot, Université Paris Saclay, et le Muséum national d'Histoire Naturelle, montre pourquoi et comment la minimisation des déchets prévaut sur l'efficacité ou la maximisation de la puissance lorsqu'il s'agit de locomotion libre quels que soient le mode et les allures disponibles. La recherche est publiée dans le Lettres d'examen physique .

"La locomotion est une caractéristique de la vie animale, " dit le professeur de Skoltech Henni Ouerdane, "et c'est pourquoi il a fasciné les penseurs depuis au moins l'époque d'Aristote." Le professeur Ouerdane ajoute que « à la fin du XIXe siècle, l'invention d'Eadweard Muybridge, le zoopraxiscope, un précurseur du cinéma, des foules hypnotisées devant la belle complexité de la biomécanique; et que des comparaisons détaillées entre les machines vivantes et artificielles ont naturellement suivi, mais avec un succès très limité pour expliquer la vie."

Pour les machines artificielles, la maximisation de l'efficacité de conversion d'énergie est un must pour économiser les ressources, mais cela s'applique-t-il aux animaux lorsqu'ils se déplacent librement ? Répondre à cette question pose un formidable défi compte tenu du caractère multiforme de la vie animale et des habitats. La maximisation de la puissance est la cible évidente dans des contextes stressants, chasse ou fuite de proies; mais pas de principe clair, si seulement, semblait s'appliquer à la libre locomotion. En réalité, l'interaction détaillée entre la gestion de l'énergie et la locomotion, et en particulier l'optimisation de la dépense énergétique au cours des allures, était toujours resté insaisissable.

Pr Ouerdane et son principal collaborateur, Pr Christophe Goupil, avait déjà largement étudié la thermodynamique hors d'équilibre des convertisseurs d'énergie, mais le saut vers la physique de la vie était une perspective intimidante. En effet, la formulation d'un modèle générique compact de locomotion de systèmes très complexes tels que les organismes vivants semblait hors de portée. "Bien sûr, la littérature sur le sujet est riche et abondante, mais de nombreux modèles reposent sur de grands ensembles de paramètres d'ajustement pour reproduire une partie de l'énergie observée de l'action musculaire, ce qui entrave en quelque sorte une vision claire des processus thermodynamiques à l'œuvre. Plus loin, le modèle musculaire de base dérive d'œuvres originales utilisant des morts, muscles disséqués, alors que l'on veut comprendre la conversion d'énergie chimique en mécanique dans les organismes vivants, " dit le Pr Goupil.

La première étape vers un modèle thermodynamique de locomotion était un modèle approprié de conversion d'énergie métabolique en muscles vivants. Ce travail, publié dans le Nouveau Journal de Physique en 2019, par le Pr Ouerdane et ses collaborateurs, a souligné la nécessité de considérer rigoureusement les conditions aux limites particulières auxquelles est soumis un muscle vivant sous charge, et leurs effets de rétroaction liés à l'intensité métabolique. Leur travail a ainsi comblé un fossé exceptionnel entre les modèles musculaires inertes et le muscle vivant mis en œuvre par un animal réel.

« Dans notre dernier travail, introduire le coût énergétique des efforts, nous avons démêlé un principe fondamental fondamental de la thermodynamique hors d'équilibre de la locomotion animale :la locomotion libre implique la minimisation de la production de déchets métaboliques. Nous avons utilisé des données expérimentales publiées pour la marche, trot, et galop, chaque démarche représentant différentes conditions de travail biomécaniques. Nous avons récupéré les tendances avec notre modèle, et a fourni de nouvelles connaissances sur la locomotion animale, dépassant ainsi notre étude de cas, " dit le Pr Ouerdane.

Cette recherche contribue à des progrès significatifs dans la compréhension de la locomotion dans n'importe quel environnement (terrestre, aérien, aquatique) indépendamment de la phylogénie. De façon intéressante, il met également en lumière un principe naturel qui peut conduire à la conception innovante de futures machines artificielles économes en déchets, et il peut également alimenter la robotique bioinspirée pour des problèmes liés à, par exemple., proprioception et impédance mécanique variable des actionneurs, ce qui pourrait à son tour faire avancer le développement de théories de la vie basées sur la physique.