El colibrí lleva el nombre de su agradable zumbido cuando se cierne frente a las flores para alimentarse. Pero solo ahora ha quedado claro cómo el ala genera el sonido homónimo del colibrí cuando late rápidamente a 40 latidos por segundo. Investigadores de la Universidad Tecnológica de Eindhoven, Sorama, una empresa derivada de TU / e, y la Universidad de Stanford observaron meticulosamente colibríes utilizando 12 cámaras de alta velocidad, 6 placas de presión y 2176 micrófonos. Descubrieron que las suaves y complejas alas emplumadas de los colibríes generan un sonido similar al que lo hacen las alas más simples de los insectos. Los nuevos conocimientos podrían ayudar a que dispositivos como ventiladores y drones sean más silenciosos.
El equipo de ingenieros logró medir el origen preciso del sonido generado por el batir de alas de un animal volador por primera vez. El zumbido del colibrí se origina en la diferencia de presión entre la parte superior e inferior de las alas, que cambia tanto en magnitud como en orientación a medida que las alas se mueven hacia adelante y hacia atrás. Estas diferencias de presión sobre el ala son esenciales, porque proporcionan la fuerza aerodinámica neta que permite al pájaro colibrí despegar y planear.
A diferencia de otras especies de aves, el ala de un colibrí genera una fuerte fuerza aerodinámica hacia arriba durante el golpe del ala hacia abajo y hacia arriba, es decir, dos veces por batido. Si bien las diferencias de presión debidas a la fuerza de elevación y de arrastre que actúan sobre el ala contribuyen, resulta que la diferencia de presión de elevación hacia arriba es la fuente principal del zumbido.
La diferencia entre lloriquear, tararear, zumbar y aullar
Profesor David Lentink, de la Universidad de Stanford: "Esta es la razón por la que los pájaros y los insectos emiten sonidos diferentes. Los mosquitos gimieron, las abejas zumbaron, los colibríes zumbaron y los pájaros más grandes hacen 'woosh'. La mayoría de los pájaros son relativamente silenciosos porque generan la mayor parte del sustento solo una vez durante el aleteo en el movimiento descendente. Los colibríes y los insectos son más ruidosos porque lo hacen dos veces por aleteo ".
Los investigadores combinaron todas las medidas en un modelo acústico 3D de alas de pájaros e insectos. El modelo no solo proporciona información biológica sobre cómo los animales generan sonido con sus alas batientes, sino que también predice cómo el rendimiento aerodinámico de un ala batiente le da al sonido del ala su volumen y timbre. "El sonido distintivo del colibrí se percibe como agradable debido a los muchos 'matices' creados por las diferentes fuerzas aerodinámicas en el ala. Un ala de colibrí es similar a un instrumento bellamente afinado", explica Lentink con una sonrisa.

Cámara de sonido de alta tecnología
Para llegar a su modelo, los científicos examinaron seis colibríes de Anna, la especie más común en Stanford. Uno por uno, hicieron que los pájaros bebieran agua azucarada de una flor falsa en una cámara de vuelo especial. Alrededor de la cámara, no visible para el pájaro, se instalaron cámaras, micrófonos y sensores de presión para registrar con precisión cada batido de alas mientras se mantenía suspendido frente a la flor.
No puede simplemente salir y comprar el equipo necesario para esto en una tienda de electrónica. El director ejecutivo e investigador Rick Scholte de Sorama, una spin-off de TU Eindhoven: "Para hacer visible el sonido y poder examinarlo en detalle, utilizamos sofisticadas cámaras de sonido desarrolladas por mi empresa. Las cámaras ópticas están conectadas a una red de 2176 micrófonos para este propósito. Juntos funcionan un poco como una cámara térmica que le permite mostrar una imagen térmica. Hacemos que el sonido sea visible en un 'mapa de calor', que nos permite ver el campo de sonido 3D en detalle ".
Nuevos sensores de fuerza aerodinámica
Para interpretar las imágenes de sonido en 3D, es fundamental saber qué movimiento está haciendo el ala del pájaro en cada punto de medición del sonido. Para eso, entraron en juego las doce cámaras de alta velocidad de Stanford, que capturaron el movimiento exacto del ala fotograma a fotograma.

Lentink: "Pero eso no es el fin de la historia. También necesitábamos medir las fuerzas aerodinámicas que generan las alas del colibrí en vuelo. Tuvimos que desarrollar un nuevo instrumento para eso". Durante un experimento de seguimiento, seis placas de presión altamente sensibles finalmente lograron registrar las fuerzas de elevación y arrastre generadas por las alas a medida que se movían hacia arriba y hacia abajo, una primera vez.
A continuación, hubo que sincronizar los terabytes de datos. Los investigadores querían saber exactamente qué posición del ala producía qué sonido y cómo esto se relacionaba con las diferencias de presión. Scholte: "Debido a que la luz viaja mucho más rápido que el sonido, tuvimos que calibrar cada cuadro por separado para las cámaras y los micrófonos, de modo que las grabaciones de sonido y las imágenes siempre coincidieran exactamente". Debido a que las cámaras, los micrófonos y los sensores estaban en diferentes lugares de la habitación, los investigadores también tuvieron que corregir eso.
Algoritmo como artista compuesto
Una vez que la ubicación del ala, el sonido correspondiente y las diferencias de presión se alinean con precisión para cada cuadro de video, los investigadores se enfrentaron a la complejidad de interpretar datos de alto volumen. Los investigadores abordaron este desafío aprovechando la inteligencia artificial, la investigación del estudiante de doctorado de TU / e y co-primer autor, Patrick Wijnings.
Wijnings: "Desarrollamos un algoritmo para esto que puede interpretar un campo acústico 3D a partir de las mediciones, y esto nos permitió determinar el campo sonoro más probable del colibrí. La solución a este llamado problema inverso se asemeja a lo que un compuesto facial policial lo hace el artista: utilizando algunas pistas para hacer el dibujo más fiable del sospechoso. De esta forma, se evita la posibilidad de que una pequeña distorsión en las medidas cambie el resultado ".
Los investigadores finalmente lograron condensar todos estos resultados en un modelo acústico 3D simple, tomado del mundo de los aviones y adaptado matemáticamente al batir de alas. Predice el sonido que irradian las alas batientes, no solo el zumbido del colibrí, sino también el zumbido de otras aves y murciélagos, el zumbido y lloriqueo de los insectos e incluso el ruido que generan los robots con batir de alas.
Haciendo que los drones sean más silenciosos
Aunque no fue el foco de este estudio, el conocimiento adquirido también puede ayudar a mejorar los rotores de aviones y drones, así como los ventiladores de las laptops y aspiradoras. Los nuevos conocimientos y herramientas pueden ayudar a hacer que los dispositivos diseñados que generan fuerzas complejas, como lo hacen los animales, sean más silenciosos.
Esto es exactamente lo que pretende hacer Sorama: "Hacemos que el sonido sea visible para que los electrodomésticos sean más silenciosos. La contaminación acústica se está convirtiendo en un problema cada vez mayor. Y un medidor de decibelios por sí solo no va a resolver eso. Necesitas saber dónde está el sonido de dónde viene y cómo se produce, para poder eliminarlo. Para eso están nuestras cámaras de sonido. Esta investigación de alas de colibrí nos da un modelo completamente nuevo y muy preciso como punto de partida, para que podamos hacer nuestro trabajo incluso mejor ", concluye Scholte.
Esta investigación aparece el 16 de marzo en la revista eLife, bajo el título "Cómo las fuerzas aerodinámicas oscilantes explican el timbre del zumbido del colibrí y otros animales en vuelo aleteando". El trabajo experimental y analítico de esta investigación fue realizado por el estudiante de doctorado Patrick Wijnings de TU Eindhoven bajo la supervisión de Rick Scholte de Sorama y Sander Stuijk y Henk Corporaal de TU / e, y el estudiante de doctorado Ben Hightower de Stanford bajo la supervisión de David Lentink. de la Universidad de Stanford con la ayuda de cuatro coautores del Lentink Lab: Rivers Ingersoll, Diana Chin, Jade Nguyen y Daniel Shorr. Esta investigación fue financiada por el programa NWO Perspectief ZERO y CAREER AWARD National Science Foundation (NSF).