Thermodynamics of Animal Locomotion

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作者
Éric Herbert,Henni Ouerdane,Ph. Lecoeur,Vincent Bels,Ch. Goupil
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:125 (22) 被引量:7
标识
DOI:10.1103/physrevlett.125.228102
摘要

Muscles are biological actuators extensively studied in the frame of Hill's classic empirical model as isolated biomechanical entities, which hardly applies to a living organism subjected to physiological and environmental constraints. Here we elucidate the overarching principle of a \emph{living} muscle action for locomotion, considering it from the thermodynamic viewpoint as an assembly of actuators (muscle units) connected in parallel, operating via chemical-to-mechanical energy conversion under mixed (potential and flux) boundary conditions. Introducing the energy cost of effort, $COE_-$, as the generalization of the well-known oxygen cost of transport, $COT$, in the frame of our compact locally linear non-equilibrium thermodynamics model, we analyze oxygen consumption measurement data from a documented experiment on energy cost management and optimization by horses moving at three different gaits. Horses adapt to a particular gait by mobilizing a nearly constant number of muscle units minimizing waste production per unit distance covered; this number significantly changes during transition between gaits. The mechanical function of the animal is therefore determined both by its own thermodynamic characteristics and by the metabolic operating point of the locomotor system.
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