El secreto del paracaidismo hábil de los colémbolos sin alas
Al comienzo de la pandemia, Víctor Ortega-Jiménez estaba explorando arroyos cerca de su casa y observando colémbolos. Los organismos son los hexápodos que no son insectos más abundantes en la tierra, y Ortega-Jiménez sospechaba que su evitación de los depredadores tenía algo que ver con su capacidad para saltar sobre la superficie del agua y aterrizar perfectamente en el mismo lugar.
Ortega-Jiménez llevó la hipótesis a su laboratorio en la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular (ChBE) de Georgia Tech. Utilizando una combinación de modelos informáticos y robofísicos, así como experimentos de dinámica de fluidos, los investigadores pudieron ver la mecánica del movimiento del colémbolo por primera vez. Determinaron cómo los colémbolos controlan su salto, saltan en el aire y aterrizan sobre sus pies, todo en un abrir y cerrar de ojos, salvándolos efectivamente de los depredadores.
“Estos organismos extraordinarios con una morfología única viven en un lugar muy precario: la superficie del agua”, dijo Saad Bhamla, profesor asistente de ChBE. «Entonces, cuando saltan y aterrizan en el agua, debemos comprender los efectos tanto de la hidrodinámica como de la aerodinámica. Cómo aterrizan perfectamente sobre sus pies casi siempre en la superficie del agua fue el rompecabezas que decidimos resolver en este artículo.
Ortega-Jiménez, Bhamla y colaboradores presentaron esta investigación en «Despegue direccional, enderezamiento aéreo y aterrizaje de adherencia de coliémbolos semiacuáticos», publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences.
Comprensión de los colémbolos
Los investigadores encontraron que a los colémbolos les fue tan bien debido a su postura y especialmente a sus apéndices únicos para saltar y agarrarse. Primero, ajustan el ángulo de su órgano de salto, la fúrcula, mientras despegan. Luego, cambian su postura en el aire a una forma de U que crea un par aerodinámico, enderezándolos de manera efectiva 20 milisegundos después de saltar, lo más rápido que cualquier organismo sin alas. Aterrizan en un colóforo, un apéndice particular del colémbolo que retiene el agua.
Los colémbolos son parte de la familia de los colémbolos, organismos que se sabe que tienen un colóforo hidrofílico, una estructura en forma de tubo que contiene una gota de agua y puede adherirse a las superficies. Los investigadores determinaron que este colóforo es esencial para que los colémbolos se deslicen por la superficie del agua y aterricen de manera eficiente sobre sus pies sin rebotar. Con imágenes de alta velocidad y un modelo matemático de la fuerza del oscilador hidrodinámico, utilizando la tensión superficial, la inercia, la flotabilidad, el arrastre, la disipación capilar y las fuerzas de adhesión, los investigadores calcularon cómo los tirones del colémbolo se apartaron de su colóforo para aterrizajes estables que liberan energía de onda capilar.
«Nadie ha demostrado experimentalmente para qué sirve realmente el colóforo, y demostramos que es para su supervivencia», dijo Ortega-Jiménez. «Lo necesitan para la estabilidad, para controlar su despegue, pero sobre todo para aterrizar perfectamente como un acróbata».
Después de observar el salto, los investigadores descubrieron que los colémbolos podían controlar su ángulo y velocidad de despegue. Lo descompusieron en un modelo matemático para determinar la precisión de esos saltos en una simulación por computadora. El modelo sugirió que si los colémbolos pueden controlar el ángulo de su cuerpo, pueden deslizarse sobre la superficie del agua con su colóforo, lo que valida las observaciones experimentales de Ortega.
Los investigadores exploraron la capacidad de autoenderezamiento de los colémbolos utilizando colémbolos muertos y vivos en un túnel de viento, así como modelos físicos de caída libre. Descubrieron que la postura en forma de U de los colémbolos y una gota recolectada por colóforos crean un aterrizaje perfecto.
«Este trabajo muestra cuán importante es el movimiento controlado para el escape y la supervivencia de los depredadores», dijo Kathryn Dickson, directora del programa de la Fundación Nacional de Ciencias, que financió parcialmente la investigación. «Los colémbolos no podrían haberse convertido en el hexápodo no insecto más abundante sin poder controlar su respuesta de escape similar a la de una gimnasta. Además de ser fascinante de ver, esta nueva comprensión de la biomecánica de cómo los colémbolos controlan su salto, giran por el aire y aterrizar de forma segura en el agua podría conducir a avances en áreas que van desde la robótica hasta la aerodinámica.
A continuación, los investigadores construyeron pequeños robots para reproducir sus observaciones experimentales y computacionales en un entorno físico en colaboración con el equipo del profesor Jesung-Koh de la Universidad de Ajou en Corea del Sur.
«Ha sido un gran desafío para los robots saltadores, especialmente los de pequeña escala, controlar su orientación en el aire para aterrizar y saltar», dijo Koh. «El descubrimiento de esta investigación podría inspirar robots saltadores a escala de insectos capaces de aterrizar de manera segura y expandir la capacidad de los robots en nuevos terrenos, como superficies de agua abierta de lagos y océanos de nuestro planeta».
Los investigadores crearon un pequeño robot con aletas de arrastre para validar las observaciones de que se requiere un colóforo y una forma corporal para aterrizar.
“Mostramos en tres casos diferentes que el robot nativo se sale de control y aterriza de manera impredecible”, dijo Bhamla. «Pero a medida que agrega cada uno de estos incrementos, como las aletas de arrastre, demostramos que el robot puede lograr la estabilidad y aterrizar sobre sus pies».
El robot tiene una tasa de éxito del 75 %, en comparación con la tasa de éxito del 85 % de Springtail, lo que hace que los resultados sean significativos. Pero los hallazgos podrían tener implicaciones para más que colémbolos.
“Ahora estamos abriendo esta caja de Pandora de lo que pueden hacer los pequeños animales”, dijo Ortega-Jiménez. «Existe la creencia de que debido a que son diminutos, no tienen tanto control como los animales grandes. Por lo tanto, estamos abriendo algunas posibilidades de control a esta pequeña escala que podrían brindar información sobre los orígenes del vuelo en los organismos».
Video: https://youtu.be/ZzB7T-Ik1wY
Referencia:
- Victor M. Ortega-Jimenez, Elio J. Challita, Baekgyeom Kim, Hungtang Ko, Minseok Gwon, Je-Sung Koh, M. Saad Bhamla. Despegue direccional, recuperación aérea y aterrizaje por adhesión de colémbolos semiacuáticos. Actas de la Academia Nacional de Ciencias, 2022; 119 (46) DOI: 10.1073/pnas.2211283119
