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- Los investigadores descubrieron cómo los colémbolos, animales del tamaño de un grano de arena, pueden alejarse de los depredadores y aterrizar suavemente en el agua.
- El equipo creó un robot que imita la acción de saltar un colémbolo, incluido el autoenderezamiento en pleno vuelo.
- Este trabajo podría conducir a mejores robots que puedan aterrizar de manera segura en el agua y proporcionar información sobre los orígenes del vuelo en los organismos.
La próxima vez que esté cerca de un estanque o arroyo, inclínese y mire más de cerca; es posible que vea pequeños organismos parecidos a insectos, no mucho más grandes que el ancho de una hebra de espagueti, dando saltos increíbles. Estos son colémbolos, pequeños invertebrados de cuerpo blando con seis patas y una anatomía extraña que los protege de los depredadores todos los días: un órgano que salta en la parte inferior. Cuando el colémbolo suelta el órgano, golpea el agua y lanza al animal por los aires hasta diez veces su altura. Gira en el aire para corregir su posición y aterriza suavemente sobre el agua, en posición vertical.
Un equipo de investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia descubrió la mecánica del movimiento del colémbolo, desde el salto hasta el autoenderezamiento y, finalmente, el aterrizaje. Usaron una combinación de técnicas de modelado y pruebas reales de colémbolos, y luego trabajaron con investigadores de la Universidad de Ajou en Corea del Sur para construir pequeños robots saltadores que se asemejan a los animales.
Estos experimentos podrían avanzar en múltiples campos de la ingeniería, incluida la robótica y la aerodinámica, dice Kathryn Dickson, directora de programas de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF), en un comunicado de prensa de Georgia Tech. La NSF financió parcialmente la investigación, que el equipo publicado el 7 de noviembre en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.
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“Estos organismos extraordinarios con una morfología única viven en un lugar muy precario: la superficie del agua”, Saad Bhamla, coautor del estudio y profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular de Georgia Tech, dice en el comunicado. “Entonces, cuando saltan y aterrizan en el agua, debemos comprender los efectos tanto de la hidrodinámica como de la aerodinámica”.
La inspiradora anatomía de estos diminutos saltadores
Una radiografía del colémbolo muestra el órgano que salta cerca de la parte inferior de la espalda de su cuerpo.
Un colémbolo no solo puede ajustar el ángulo de su órgano de salto, la fúrcula, cuando despega, sino que también aterriza en un apéndice en forma de tubo llamado colóforo hidrofílico, que retiene el agua y se adhiere a las superficies, lo que permite que el animal pegue su aterrizaje. Mientras está en el aire, los colémbolos se curvan en forma de U que genera un par aerodinámico, una fuerza que hace que su cuerpo gire sobre su propio eje hasta que esté boca arriba. Este autoenderezamiento ocurre solo 20 milisegundos después del salto, más rápido de lo que cualquier otro organismo sin alas puede hacerlo.
“La gran sorpresa para mí es imaginar un animal del tamaño de un grano de arena capaz de controlar todas las etapas del salto, desde el despegue y el enderezamiento en el aire, hasta el aterrizaje y la adherencia a la superficie del agua. Todo esto sucede en menos de un abrir y cerrar de ojos”, dice el coautor Víctor Ortega-Jiménez. Mecánica Popular en un correo electrónico. Ortega-Jiménez estuvo en Georgia Tech durante esta investigación y recientemente se unió a la Escuela de Biología y Ecología de la Universidad de Maine como profesora asistente.
Imitando la mecánica de los colémbolos en el laboratorio
los sel robot cola de caballo es solo un poco más largo que el ancho de un centavo.
El equipo se inspiró en la habilidad natural de los colémbolos y creó un modelo matemático de la física involucrada en sus movimientos, incluida la tensión superficial, la inercia, la flotabilidad, la resistencia al avance, la disipación capilar y las fuerzas de adhesión. Calcularon cómo el colémbolo crea aterrizajes estables que liberan energía a través de ondas en la superficie del agua. El equipo descubrió que los colémbolos pueden controlar su ángulo y velocidad de despegue. Incorporaron esta información en un modelo matemático.
Su simulación por computadora resultante muestra que el ángulo del cuerpo es clave para aterrizar suavemente y deslizarse sobre el colóforo, que recoge una gota de agua para garantizar un viaje estable. “Nadie ha demostrado experimentalmente para qué sirve realmente el colóforo, y estamos demostrando que es para su supervivencia”, dice Ortega-Jiménez en el comunicado de prensa. “Necesitan esto para la estabilidad, controlar su despegue, pero más importante aún, cómo aterrizar perfectamente como un acróbata”.
A continuación, el equipo colocó colémbolos reales, tanto vivos como muertos, en un túnel de viento y los dejó caer en caída libre. Al igual que en su modelo, descubrieron que la combinación mágica para un aterrizaje sin golpes involucraba la postura en forma de U de los animales y el aterrizaje en el colóforo. El túnel de viento y las caídas libres no alteraron su desempeño.
Los colémbolos robóticos muestran control a pequeña escala
Usando los modelos experimentales y los datos de los colémbolos reales, los investigadores de Georgia Tech colaboraron con Ye Sung Koh y su equipo en la Universidad de Ajou para diseñar y construir un pequeño robot de salto aerodinámico con un centro de gravedad más bajo similar. Pero estos primeros robots giraban demasiado y no podían aterrizar con el lado derecho hacia arriba.
Entonces, el siguiente robot tenía aletas de arrastre, accesorios para el cuerpo principal que reducían su rotación. Ahora podría aterrizar sobre sus pies. Cuando pusieron a prueba estos robots modificados, el equipo confirmó que se necesita un colóforo y una forma corporal para aterrizar.
A pesar de que lograron la estabilidad, los robots no eran tan hábiles como los colémbolos, alcanzando una tasa de éxito del 75 por ciento en comparación con la tasa de aterrizajes perfectos del 85 por ciento de los colémbolos durante las pruebas.
Sin embargo, esta investigación tiene implicaciones para comprender el control corporal a pequeña escala. “Existe la creencia de que debido a que son pequeños, no tienen tanto control como los animales grandes”, dice Ortega-Jiménez en el comunicado. “Entonces, estamos abriendo algunas posibilidades de control a esta pequeña escala que podrían dar una idea de los orígenes del vuelo en los organismos”.
Espera profundizar más en la hidrodinámica y la producción de olas de los colémbolos semiacuáticos a medida que saltan y aterrizan en la superficie del agua. Otro próximo paso es investigar las respuestas de los colémbolos cuando se enfrentan a depredadores naturales y “diseñar un robot saltador flexible que pueda deformar su cuerpo y adherirse a la superficie”, dice Ortega-Jiménez. Mecánica Popular.
Los investigadores dicen que sus hallazgos “podrían inspirar robots saltadores a escala de insectos que puedan aterrizar de manera segura y expandir la capacidad de los robots en nuevos terrenos, como las superficies de aguas abiertas en los lagos y océanos de nuestro planeta”.
antes de unirse Mecánica Popular, Manasee Wagh trabajó como reportera de un periódico, periodista científica, escritora de tecnología e ingeniera informática. Siempre está buscando formas de combinar las tres mayores alegrías de su vida: la ciencia, los viajes y la comida.
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