Mire en cualquier pecera y verá que los peces de colores y los guppies tienen aletas ágiles. Con unos pocos movimientos de estos apéndices, los nadadores de acuarios pueden girar en círculos, sumergirse profundamente o incluso saltar a la superficie.
Una nueva investigación dirigida por la Universidad de Colorado en Boulder ha descubierto los secretos de ingeniería detrás de lo que hace que las aletas de pescado sean tan fuertes pero flexibles. Los conocimientos del equipo podrían algún día conducir a nuevos diseños para herramientas quirúrgicas robóticas o incluso alas de avión que cambian de forma con solo presionar un botón.
Los investigadores publicaron sus resultados el 11 de agosto en la revista Science Robotics.
Francois Barthelat, autor principal del estudio, señaló que las aletas son notables porque pueden lograr hazañas de destreza aunque no contengan un solo músculo. (Los peces mueven estas estructuras contrayendo conjuntos de músculos ubicados en la base de las aletas).
"Si miras una aleta, verás que está hecha de muchos 'rayos' rígidos", dijo Barthelat, profesor del Departamento de Ingeniería Mecánica Paul M. Rady. "Cada uno de esos rayos se puede manipular individualmente al igual que sus dedos, pero hay 20 o 30 de ellos en cada aleta".
En su última investigación, Barthelat y sus colegas se basaron en una variedad de enfoques, incluidas simulaciones por computadora y materiales impresos en 3D, para profundizar en la biomecánica de estas estructuras ágiles. Informan que la clave de las aletas de pescado puede estar en su diseño único. Cada rayo de una aleta está formado por múltiples segmentos de un material duro que se apilan sobre un colágeno mucho más blando, lo que los convierte en el equilibrio perfecto entre rebote y rigidez.
"Obtienes esta capacidad dual en la que las aletas pueden transformarse y, sin embargo, todavía están bastante rígidas cuando empujan el agua", dijo.
Armaduras y aviones
Barthelat no es ajeno a mirar dentro de los acuarios. Anteriormente estudió cómo las escamas de pescado pueden ayudar a los ingenieros a diseñar mejores armaduras corporales para los humanos y cómo las conchas marinas pueden inspirar lentes más resistentes.
Las aletas pueden ser igualmente útiles. Cuando se trata de ingeniería, explicó Barthelat, los materiales que son rígidos y flexibles son un bien candente. Los diseñadores de aviones, por ejemplo, han estado interesados desde hace mucho tiempo en desarrollar alas que puedan transformarse bajo el mando, dando a los aviones más capacidad de maniobra sin dejar de mantenerlos en el aire.
"Los aviones hacen esto ahora, hasta cierto punto, cuando bajan sus flaps", dijo Barthelat. "Pero eso es de una manera rígida. Un ala hecha de materiales morphing, por el contrario, podría cambiar su forma de manera más radical y continua, como un pájaro".
Para comprender cómo los peces de colores comunes y corrientes logran hazañas similares todos los días, observe de cerca estas estructuras bajo el microscopio. Cada uno de los rayos en una aleta tiene una estructura en capas, un poco como un éclair de panadería: los picos incluyen dos capas de materiales rígidos y mineralizados llamados hemitrichs que rodean una capa interna de colágeno esponjoso.
Pero, dijo Barthelat, esas capas de hemitrichs no son sólidas. Están divididos en segmentos, como si alguien hubiera cortado el éclair en trozos pequeños.
"Hasta hace poco, la función de esos segmentos no estaba clara", dijo.
Nadar, volar y caminar
El ingeniero y su equipo decidieron utilizar simulaciones por computadora para examinar las propiedades mecánicas de las aletas. Descubrieron que esos segmentos pueden marcar la diferencia.
Imagina por un momento, explicó Barthelat, que las aletas de pescado están compuestas completamente de colágeno. Podían doblarse fácilmente, pero no darían mucha tracción a los peces en el agua porque las fuerzas hidrodinámicas los colapsarían. Los rayos formados por hemitrichs sólidos no segmentados, por el contrario, tendrían el problema opuesto: serían demasiado rígidos.
"Todos los segmentos, esencialmente, crean estas pequeñas bisagras a lo largo del rayo", dijo Barthelat. "Cuando intentas comprimir o tirar de esas capas óseas, tienen una rigidez muy alta. Esto es fundamental para que el rayo resista y produzca fuerzas hidrodinámicas que empujan el agua. Pero si intentas doblar capas óseas individuales, son muy dócil, y esa parte es fundamental para que los rayos se deformen fácilmente desde los músculos de la base ".
Los investigadores probaron aún más la teoría utilizando una impresora 3D para producir modelos de aletas de pescado hechas de plástico, algunas con esas bisagras integradas y otras sin ellas. La idea se desarrolló: el equipo descubrió que el diseño segmentado proporcionaba mejores combinaciones de rigidez y capacidades de transformación.
Barthelat agregó que él y sus colegas solo han arañado la superficie de la amplia diversidad de aletas en el mundo de los peces. Los peces voladores, por ejemplo, despliegan sus aletas para deslizarse sobre el agua, mientras que los saltamontes usan sus aletas como patas para caminar sobre la tierra.
"Nos gusta retomar donde lo dejaron los biólogos y zoólogos, utilizando nuestra experiencia en la mecánica de los materiales para ampliar nuestra comprensión de las asombrosas propiedades del mundo natural", dijo Barthelat.
Los coautores del nuevo estudio incluyen a Floren Hannard en la Universidad Católica de Lovaina en Bélgica, Mohammad Mirkhalaf en la Universidad de Sydney en Australia y Abtin Ameri en el MIT.
