Entendiendo el movimiento animal y sus aplicaciones

Los animales necesitan moverse para sobrevivir. Cada uno tiene diferentes maneras de moverse porque se han ido adaptando con el tiempo. Esto depende de sus cuerpos y del ambiente que los rodea. Por ejemplo, cómo las aletas se transformaron en patas en algunas especies muestra que el movimiento está muy ligado a la forma del cuerpo de un animal y su necesidad de sobrevivir. Es complicado determinar qué formas ayudan mejor a los animales a moverse, y no podemos estar seguros de que si pudiéramos empezar de nuevo en la Tierra, veríamos los mismos tipos de animales.

Dos características importantes que comparten la mayoría de los animales hoy en día son la Simetría bilateral y la segmentación del cuerpo. La simetría bilateral significa que si cortas el cuerpo por la mitad, ambos lados se ven similares. La segmentación del cuerpo se refiere a que los cuerpos están divididos en partes. Estas características provienen de reglas genéticas complicadas y se han desarrollado con el tiempo. Aunque la simetría bilateral suele estar relacionada con un mejor movimiento, también puede ayudar a mover cosas dentro del cuerpo. Además, la simetría podría ayudar a los animales a seguir mejor las leyes de la física. Cuando se trata de estar hechos de diferentes partes del cuerpo, parece ser importante para cómo se mueven y funcionan los animales.

#Locomoción Terrestre

Moverse por el suelo es una forma común en la que los animales se desplazan. Muchos animales, como los lobos y los peces, utilizan el suelo para moverse. Algunos peces, como los peces rana y los peces murciélago, incluso han desarrollado formas de caminar por la tierra. Los pulpos también pueden moverse por el suelo, mostrando que la locomoción terrestre se encuentra en diferentes tipos de animales.

Para entender cómo las características del cuerpo se relacionan con el movimiento, queremos ver si la simetría y la Modularidad (tener partes del cuerpo conectadas que se mueven un poco de manera independiente) son necesarias para ayudar a los animales a moverse más rápido en el suelo. La simetría y la modularidad podrían ser características clave que ayudan a mejorar la velocidad promedio, sin importar cómo ha evolucionado cada especie.

#Convergencia de Animales y Robots

Al estudiar tanto animales como robots, podemos aprender sobre los principios básicos del movimiento que se aplican a ambos. Por ejemplo, un lobo de crin y un pez rana utilizan el suelo para desplazarse, aunque son criaturas muy diferentes. Observar cómo diferentes especies utilizan características similares para moverse podría llevarnos a descubrimientos sobre un diseño eficiente para el movimiento.

Dada la variedad de formas y características de los animales, podemos agruparlos según cómo se mueven. Algunos robots están diseñados para el movimiento y pueden ayudarnos a examinar principios de movimiento. Esto podría llevar a identificar características cruciales que mejoran el movimiento.

#Requisitos para el Movimiento

Para averiguar cuán esenciales son la simetría y la modularidad para moverse por el suelo, primero deberíamos separar el movimiento de otras necesidades de los animales. También deberíamos ser capaces de observar soluciones de movimiento que no dependan de una única historia evolutiva. Para lograr esto, podemos usar robots y simular sus procesos evolutivos, colocándolos en entornos similares a los de las criaturas vivas.

Los robots nos permiten probar diferentes teorías sobre el movimiento de los animales y buscar patrones. Al usar robots, podemos controlar qué factores biológicos y condiciones físicas queremos examinar. En estas simulaciones, podemos manipular la gravedad y evaluar cómo afecta el movimiento en el suelo.

#Estructuras Modulares y Movimiento

Para investigar la modularidad del cuerpo, podemos agrupar las partes del robot según lo cercanas que estén y qué tan bien funcionen juntas durante el movimiento. Estos grupos pueden ayudarnos a visualizar qué tan conectadas están las diferentes partes de un robot y qué tan bien funcionan como un todo. Encontramos que un número intermedio de módulos es el mejor para lograr una mayor velocidad de movimiento en el suelo. Tener muy pocos módulos restringe el movimiento, mientras que tener demasiados dificulta coordinar los movimientos de manera efectiva.

En nuestras simulaciones, mostramos que los robots con un 20% de la mejor capacidad de movimiento suelen tener un número intermedio de módulos, lo que significa que no son ni pocos ni muchos. Este hallazgo sugiere que hay un equilibrio óptimo para lograr un buen movimiento.

#Simetría y Control en Robots

También analizamos la simetría en el diseño de robots, tanto en términos de forma como de control. Definimos medidas para la simetría del cuerpo, donde se evalúa qué tan similar es la forma de un robot en ambos lados. Asimismo, la simetría de control evalúa qué tan coordinados están los movimientos del robot.

Descubrimos que tener una forma altamente simétrica ayuda a los robots a moverse mejor, aunque también es necesario permitir un cierto grado de control asimétrico para habilitar una dirección de movimiento efectiva. Nuestros resultados mostraron que los robots con mejor capacidad de movimiento tienden a tener formas más simétricas, mientras todavía tienen algo de variación en el control.

#Especialización para Entornos Gravitacionales

Diferentes entornos, como la Tierra o Marte, requieren adaptaciones únicas para un movimiento efectivo. Probamos varias formas de robots en diferentes configuraciones gravitacionales para ver si mantenían su rendimiento. Los resultados indicaron que las formas optimizadas para una gravedad podían tener problemas en otra. Por ejemplo, los robots de entornos de baja gravedad eran menos efectivos al ser transferidos a alta gravedad.

Descubrimos que el tamaño de los puntos de contacto del robot con el suelo (sus "pies") afecta cuán bien puede adaptarse a nuevos entornos. Pies más ligeros eran mejores para el rendimiento en configuraciones de alta gravedad, lo que sugiere que las adaptaciones hechas para entornos de baja gravedad no siempre funcionan eficazmente en escenarios de alta gravedad.

#Hallazgos sobre Locomoción Dirigida

A través de nuestros estudios, revelamos que la locomoción dirigida es importante para una amplia variedad de animales. Nuestro trabajo llevó a una claridad sobre las características de forma necesarias para mejorar el movimiento, concluyendo que un pequeño número de módulos, alta simetría de forma y un control regulado de la simetría total contribuyen positivamente a las habilidades de locomoción.

Curiosamente, notamos que los animales suelen presentar simetría bilateral, lo que parece guiar mejor la dirección del movimiento que otras formas de simetría. Esto sugiere que este tipo de simetría es esencial para un movimiento efectivo, incluso considerando otras funciones corporales posibles.

#Implicaciones de la Computación Morfológica

El principio de la computación morfológica se relaciona con cómo los organismos vivos utilizan su estructura corporal para interactuar exitosamente con su entorno. Exploramos este principio usando organismos sintéticos como robots, lo que nos permitió evaluar características sin las limitaciones que imponen las especies vivas.

Encontramos que tener un número pequeño a moderado de módulos apoya un mejor movimiento, alineándose con cómo los animales suelen presentar extremidades y partes del cuerpo. Nuestros resultados reforzaron que estructuras más simples con unos pocos módulos tienden a rendir mejor.

#Resultados Evolutivos y Contingencia

Los cuerpos de los animales sufren muchos cambios a lo largo de la evolución debido a diversas presiones y necesidades de supervivencia. Como resultado, puede ser difícil separar las necesidades de movimiento de otras funciones. Nuestro enfoque se centró en identificar cómo optimizar la velocidad durante el movimiento moldea las posibles configuraciones del cuerpo.

Aunque podemos encontrar numerosas formas potenciales, los principios que encontramos son sólidos. Sugerimos que podrían aplicarse a otros mundos y contextos más allá de la Tierra. Entender cómo podrían manifestarse estos principios en otros escenarios evolutivos ofrece una visión de cómo la vida podría adaptarse en otros lugares.

#Conclusión

El estudio de cómo los animales se mueven en tierra reveló varias características clave que mejoran la locomoción. Estos hallazgos sugieren que el movimiento intencionado debe incorporar tanto la simetría como la modularidad de manera óptima. Nuestra investigación tiene implicaciones tanto para la biología evolutiva como para la robótica, ya que podemos aprender cómo diseñar mejores robots para el movimiento basados en los principios observados en la naturaleza.

A través de simulaciones y pruebas evolutivas, descubrimos conocimientos vitales que podrían informar el desarrollo de futuros sistemas robóticos. Al explorar cómo diferentes condiciones influyen en el movimiento, podemos entender mejor los principios físicos subyacentes a una locomoción efectiva en diversos entornos. En última instancia, este enfoque conecta el desarrollo práctico de tecnologías robóticas con la comprensión teórica de la biología evolutiva. Nuestro trabajo invita a una exploración más profunda de las complejidades del movimiento, la morfología y la adaptabilidad en la Tierra y más allá.