El modelo calcula la energía de perforar colmillos, garras y otras armas biológicas.
CHAMPAIGN, Ill. — Los investigadores han creado un modelo que puede calcular la energía involucrada cuando un organismo apuñala a otro con sus colmillos, espinas, espinas u otras partes perforantes. Debido a que el modelo se puede aplicar a una variedad de organismos, ayudará a los científicos a estudiar y comparar muchos tipos de herramientas de perforación biológica, dijeron los investigadores. También ayudará a los ingenieros a desarrollar nuevos sistemas para perforar materiales de manera efectiva o resistir la perforación.
Los nuevos hallazgos se informan en el Journal of the Royal Society Interface.
«La idea detrás de esto era proporcionar un marco cuantitativo para comparar una variedad de sistemas de punción biológica entre sí», dijo felipe andersonprofesor de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign evolución, ecología y comportamiento quien dirigió la investigación con el investigador postdoctoral Bingyang Zhang. «Una primera pregunta de esta investigación fue cómo medir estos diferentes sistemas para hacerlos comparables».
«Es un problema difícil predecir las propiedades de los sistemas biológicos», dijo Zhang.
Los animales y las plantas despliegan una variedad de estrategias para apuñalar a sus presas o defenderse de otros organismos, e incluso aquellos que usan estrategias o herramientas similares modifican esas herramientas para satisfacer sus necesidades específicas, dijeron los investigadores. Sus objetivos también difieren.
«En las víboras, por ejemplo, algunas muerden a los mamíferos, lo que significa que tienen que perforar los tejidos blandos encerrados en la piel, mientras que otras atacan a los reptiles, que tienen escamas, lo que las hace más rígidas y más difíciles de atravesar», dijo Anderson. , que estudia mecánica y energética. sistemas de punción biológica.
Otros organismos, como las avispas parasitoides, pueden usar sus ovopositores para excavar a través de la piel de las orugas, pero también pueden penetrar frutas o incluso madera, dijo.
Para desarrollar un modelo que pueda aplicarse a una variedad de sistemas, Zhang determinó los factores clave que deben incluirse en cualquier cálculo de la energía involucrada. Estos incluyen cambios en la energía cinética cuando se usa la herramienta de perforación, pero también tienen en cuenta las propiedades del material del tejido objetivo.
Implica cálculos que describen cómo la energía cinética inicial impulsa una herramienta de punción en un material, abriendo nuevas superficies en el material a medida que se propaga la fractura. También tiene en cuenta la resistencia a la fricción y la elasticidad del tejido objetivo.
Los cálculos estaban dirigidos a herramientas de punción cónica, que son comunes en los sistemas biológicos, dijeron los investigadores.
Anderson está desplegando el nuevo modelo para ayudar en sus estudios de organismos punzantes como colmillos de víbora, espinas de rayas y ovipositores de avispas parasitoides.
«Si conocemos la morfología o la forma del daño creado por una herramienta de perforación, podemos usar este modelo para predecir la cantidad de energía gastada durante un escenario de perforación», dijo Zhang. «O podemos predecir diferentes aspectos de la propiedad del material, por ejemplo, cómo se fracturará, lo que será útil en aplicaciones biológicas y de ingeniería».
La Fundación Nacional de Ciencias apoya esta investigación.
