Las patas del insecto se abren en abanico bajo el agua, formando un remo perfecto, pero se pliegan al retirarlas, un sistema eficaz para deslizarse por la superficie del agua. Un robot con patas similares es casi igual de diestro.
Las chinches del género Rhagovelia tienen abanicos en las patas que se abren bajo el agua. Los usan como remos para maniobrar con la misma agilidad que muchas moscas en el aire. En esta foto, el abanico y la garra apuntan hacia abajo y se reflejan en la superficie del agua, que actúa como un espejo.
Las patas únicas en forma de alas de un pequeño insecto, que le permiten deslizarse sobre la superficie de arroyos turbulentos con una maniobrabilidad sorprendente, han inspirado a un robot que es igualmente ágil en el agua.
Un biólogo de la Universidad de California, Berkeley, e ingenieros de la Universidad Ajou en Corea del Sur y del Instituto de Tecnología de Georgia informan en el número de esta semana de Science que las chinches acuáticas del género Rhagovelia —a menudo llamadas chinches onduladas— tienen patas que se abren en abanico cuando se sumergen en el agua, proporcionando un remo eficaz para navegar a lo largo de la superficie del agua.
No se requieren músculos para abrir el abanico, que se asemeja a un abanico plegable japonés; la tensión superficial del agua y su tendencia a formar una superficie elástica tensa hacen todo el trabajo. Al retirarlo del agua, el abanico se pliega como la punta de un pincel —también debido a la tensión superficial y a su flexibilidad—, lo que reduce la resistencia al reposicionar las patas para volver a entrar en el agua.
“Observar por primera vez un abanico aislado que se expande pasivamente casi instantáneamente al entrar en contacto con una gota de agua fue totalmente inesperado”, dijo Víctor Ortega-Jiménez , profesor adjunto de biología integrativa de la UC Berkeley y autor principal del artículo.
Inspirados por este ingenioso truco, ingenieros de la Universidad de Ajou diseñaron una punta de remo similar a un abanico y la conectaron a las patas de un robot del tamaño de un insecto. Llamado Rhagobot, sus ventiladores pasivos autoexpandibles mejoraron significativamente el empuje, el frenado y el giro —factores clave para maniobras controladas a alta velocidad— en comparación con robots sin ventiladores.
Estos robots podrían ser útiles en sistemas de vigilancia medioambiental, como microrobots de búsqueda y rescate y en dispositivos capaces de navegar en aguas turbulentas con una destreza similar a la de los insectos.
Mediante microscopía electrónica, el equipo de la Universidad de Ajou descubrió el secreto de Rhagovelia . El abanico de este insecto consiste en una serie de tiras planas, flexibles y similares a cintas, con bárbulas que les dan la apariencia de plumas. Al desplegarse bajo el agua, son lo suficientemente rígidas como para constituir un remo eficaz. Las patas en forma de abanico de Rhagobot funcionan de la misma manera.ReanudarRebobinar 10 segundosJugarAvanzar 10 segundos
Entrar en pantalla completaJugarLos insectos Rhagovelia —a menudo llamados chinches de las ondas— se mueven con agilidad en corrientes turbulentas. Al ralentizar su movimiento, se puede observar el funcionamiento de los abanicos en sus patas. Estos abanicos se abren pasivamente en el agua en unos 10 milisegundos, lo que les permite impulsarse por la superficie y girar bruscamente. Al moverse, los abanicos producen estelas vorticiales en el agua, similares a los vórtices producidos por las alas de los insectos voladores.
“Nuestros ventiladores robóticos se transforman utilizando únicamente las fuerzas de la superficie del agua y una geometría flexible, al igual que sus contrapartes biológicas”, afirmó Je-sung Koh, profesor de la Universidad de Ajou y autor principal del estudio. “Se trata de una forma de inteligencia mecánica integrada, refinada por la naturaleza a lo largo de millones de años de evolución. En la robótica a pequeña escala, este tipo de mecanismos eficientes y únicos serían una tecnología clave para superar las limitaciones de la miniaturización de los robots convencionales”.
“Aprendimos una regla de la naturaleza: la superficie del aire y el agua puede actuar como una batería”, dijo Saad Bhamla, profesor de Georgia Tech y autor principal del artículo. “La tensión superficial impulsa el ventilador plegable del insecto, y el mismo diseño impulsa el ventilador del robot”.
Los biólogos midieron la velocidad de giro de las mariposas zapateras acuáticas Rhagovelia y descubrieron que estaban a la altura de los giros más rápidos registrados en animales voladores como las moscas de la fruta: capaces de hacer un giro de 90 grados en unos 50 milisegundos y dispararse a velocidades que alcanzan alrededor de 120 longitudes de cuerpo por segundo.
Rozando la superficie
Las Rhagovelia son únicas entre los zapateros acuáticos al poseer abanicos y garras en los extremos de sus dos patas de remo. Tradicionalmente se creía que los abanicos se abrían y cerraban exclusivamente mediante músculos especializados, pero Ortega-Jiménez colocó un abanico aislado sobre una gota de agua y descubrió que la tensión superficial era suficiente para hacerlo en un tiempo sorprendentemente corto, tan solo 10 milisegundos. El músculo que controla la garra también pliega el abanico bajo el agua, pero no por completo.
Estos insectos, de tan solo 3 milímetros de longitud, son depredadores voraces y caníbales frecuentes que viven en arroyos turbulentos y aguas costeras, por las que deben navegar mientras escapan de depredadores, capturan presas y buscan pareja. Los niveles relativos de turbulencia que estos insectos soportan casi constantemente superan con creces los que solemos experimentar durante la turbulencia de un avión, afirmó Ortega-Jiménez.
“Literalmente reman día y noche durante toda su vida, deteniéndose solo para mudar, aparearse o alimentarse”, dijo Ortega-Jiménez, quien documentó esto con una cámara GoPro funcionando las 24 horas del día, los 7 días de la semana durante varios meses.
Habiendo estudiado previamente el rendimiento de salto de los grandes zapateros en aguas turbulentas, comentó que «me intrigó la primera vez que vi chinches de las ondas, mientras trabajaba como investigador postdoctoral en la Universidad Estatal de Kennesaw durante la pandemia. Estos diminutos insectos se deslizaban y giraban tan rápido sobre la superficie de los arroyos turbulentos que parecían insectos voladores. ¿Cómo lo hacen? Esa pregunta me quedó grabada y me llevó más de cinco años de increíble trabajo colaborativo responderla».
Tras trasladarse a Georgia Tech como investigador científico, le comentó estas observaciones a Bhamla, quien quedó igualmente fascinado y deseoso de explorar el comportamiento. Bhamla invitó al equipo coreano a colaborar, y juntos investigaron la biomecánica del ventilador y cómo imitarlo. Diseñar ventiladores artificiales que funcionaran como los del insecto resultó un desafío, comentó el investigador postdoctoral y también autor principal, Dongjin Kim, pero finalmente se les ocurrió la idea de usar aspas de ventilador con forma de cinta.
Sospechábamos firmemente que los abanicos biológicos podrían compartir una morfología similar, y finalmente descubrimos que el abanico de Rhagovelia poseía una microarquitectura de cinta plana, algo no descrito previamente. Este descubrimiento validó aún más el principio de diseño de nuestro abanico artificial de cinta plana.
Los ventiladores de Rhagobot miden aproximadamente 10 x 5 milímetros y están fijados a los extremos de dos de sus largas y delgadas patas, cada una de unos 5 centímetros de largo. Gracias a los ventiladores elastocapilares autodesplegables, Rhagobot, con un peso de tan solo una quinta parte de un gramo, puede propulsarse a una velocidad de aproximadamente el doble de su longitud corporal por segundo y realizar un giro de 90 grados en menos de medio segundo. El estudio sienta las bases para el futuro diseño de robots compactos y semiacuáticos capaces de explorar superficies acuáticas en entornos desafiantes y con corrientes rápidas.
Ortega-Jiménez, quien estudia la interacción de los animales con los fluidos, descubrió que las chinches Rhagovelia , a diferencia de otras zapateras acuáticas, producen una serie distintiva y compleja de vórtices o tornados en el agua con cada brazada. Estos vórtices se asemejan mucho a la estela que producen las alas batiendo en el aire.ReanudarRebobinar 10 segundosJugarAvanzar 10 segundos
Ingenieros de la Universidad de Ajou crearon un robot bioinspirado, a escala de insecto, con ventiladores autotransformables que imitan los de Rhagovelia. Estos mejoran la movilidad y maniobrabilidad de los insectos en la superficie del agua.
«Es como si Rhagovelia tuviera pequeñas alas unidas a sus piernas, como el dios griego Hermes», dijo.
Actualmente investiga si los abanicos, al igual que las alas, también pueden producir sustentación. Tiene una colonia de Rhagovelia en su laboratorio, recolectada en un arroyo que corre cerca de la Universidad de California en Davis.
Sunny Kumar de Georgia Tech y Changhwan Kim de la Universidad de Ajou también son autores del artículo.
Universidad de Berkeley News. R. S. Traducido al español
