Descubren los secretos de la extraña forma de la cola del caballito de mar

• Este apéndice lo forman 36 placas cuadradas capaces de deslizarse y rotar
• Para la investigación se han impreso modelos de prueba en 3D
• El hallazgo podría ayudar a la mejora de robots y dispositivos médicos

Un caballito de mar

La cola de los animales es redonda y blanda, pero hay excepciones, como la del caballito de mar, que es cuadrada y dura. Un equipo internacional de investigadores ha revelado en un artículo publicado en la revista Science la razón de esta curiosa forma. Según su investigación, una cola cuadrada formada por segmentos superpuestos es una armadura mejor que una cola cilíndrica, además de que su agarre es más fuerte.

Este estudio ofrece conclusiones prometedoras de cara tanto a la investigación médica como a la robótica. Si se imita la morfología y la estructura de la cola del caballito y se aplica a estos campos, los resultados podrían derivar en el diseño de, por ejemplo, brazos robóticos o catéteres más eficaces.

"Casi todas las colas de los animales tienen secciones transversales circulares u ovales, pero no es así en el caballito de mar", explica Michael Porter, profesor asistente de Ingeniería Mecánica en la Universidad de Clemson, en Carolina del Sur, Estados Unidos, e investigador principal del estudio. "Hemos visto que las colas en forma de cuadrado son mejores cuando se necesitan para agarrarse y como coraza", añade.

La cola del caballito de mar se compone generalmente de alrededor de 36 segmentos cuadrados, cada uno formado por cuatro placas de esquina en forma de L que disminuyen progresivamente de tamaño a lo largo de la longitud de la cola. Las placas son libres para deslizarse o girar.

Las articulaciones deslizantes permiten a las placas óseas deslizarse una sobre otra y las articulaciones que giran son similares a las articulaciones de una rótula, con tres puntos de libertad de rotación. Las placas están conectadas a las vértebras por capas de colágeno gruesas de tejido conectivo y las uniones entre las placas y las vértebras son extremadamente flexibles, con casi seis puntos libres.

“Las colas en forma de cuadrado son mejores cuando se necesitan para agarrarse y como coraza“

Además, las placas cuadradas hacen que su cola sea más rígida, más fuerte y más resistente a la tensión al mismo tiempo. Por lo general, el fortalecimiento de cualquiera de estas características debilitaría al menos una de las otras, según Porter.

Los investigadores de este trabajo han encontrado que las placas cuadradas se mueven con solo un punto de libertad cuando se aplastan, se deslizan. Por el contrario, las placas circulares tienen dos puntos de movimiento: se deslizan y giran. Como resultado, las placas cuadradas absorben mucha más energía antes de que comience el fallo permanente.

Impresión en 3D para reproducir modelos de prueba

Para llegar a sus conclusiones, los investigadores han empleado una amplia gama de técnicas, incluyendo impresión en 3D de un modelo simplificado de la cola del caballito de mar, que luego han doblado, torcido, comprimido y aplastado. También han realizado experimentos similares en un modelo de cola hecha de segmentos circulares superpuestos diseñada por ellos y que no se encuentra en la naturaleza.

"Las nuevas tecnologías, como la impresión 3D, permiten imitar diseños biológicos, por lo que también construimos modelos hipotéticos de diseños que no se encuentran en la naturaleza -relata Porter-. Podemos probar unos frente a otros para encontrar inspiración para nuevas aplicaciones de ingeniería y también explicar por qué los sistemas biológicos pueden haber evolucionado".

Al torcer el modelo de cola de caballito de mar cuadrada impresa en 3D, los investigadores encontraron que sus placas interferían entre sí, limitando su rango de movimiento a la mitad en comparación con el modelo hecho de segmentos circulares. Además, después de retorcerse, el modelo cuadrado volvió a su forma original más rápido, mientras que gastaba una cantidad mínima de energía. Los científicos teorizan que esto podría proteger la cola de los daños. Por el contrario, una cola hecha de segmentos circulares se retuerce fácilmente y requiere más energía para volver a su forma original.

Además, la cola de un caballito de mar se dobla de una manera que le permite agarrar objetos dentro de su línea de visión. El coautor del estudio Ross L. Hatton, profesor asistente de Mecánica en la Universidad Estatal de Oregon, Estados Unidos, y especialista en robótica, ha ayudado a Porter desarrollar modelos geométricos que describen la mecánica de la cola y que acreditan que su geometría está optimizada precisamente para este tipo de agarre.

Aún más impresionante es, según los autores del estudio, que el modelo cuadrado superó la primera ronda en todas las pruebas de aplastamiento. Esto se debe a que los segmentos cuadrados fallan sin cambiar su forma general. Por el contrario, los segmentos circulares se abren bajo la carga aplicada, cambiando su forma de circular a elíptica. Esto es importante, porque las aves de agua son uno de los principales depredadores del caballito de mar; capturan a sus presas con sus picos y los aplastan en el proceso.

Aplicaciones en robótica y medicina

El estudio de Science se basa en trabajos que Porter comenzó en la Universidad de California San Diego, Estados Unidos, en colaboración con Dominique Adriaens, profesor de Biología Evolutiva en la Universidad de Gante, Bélgica, y los profesores de Ciencia de los Materiales e Ingeniería de la Universidad de California, Estados Unidos, Joanna McKittrick y Marc Meyers.

"Michael decidió utilizar la ingeniería y la tecnología para explicar las características biológicas", señala McKittrick, que fue coasesor de Porter y es coautor del artículo. Se puede simplificar la naturaleza y estudiarla en el laboratorio, agrega Meyers, también coautor y coasesor de Porter. "Entonces, se puede construir nuevas estructuras y dispositivos bioinspirados".

El equipo de investigación de Porter en Clemson está aplicando este método para desarrollar nuevas estructuras y sistemas robóticos que imiten una variedad de otros sistemas naturales e hipotéticos, lo que permitirá traducir su investigación en todas las disciplinas: desde la biología como una fuente de inspiración para la ingeniería y desde la ingeniería como una herramienta para la exploración de la biología.

De este modo, Porter está investigando cómo se podrían utilizar en la vida real dispositivos inspirados en la estructura de la cola del caballito. Una posibilidad es aumentar la estructura para construir un brazo robótico de agarre que pueda emplearse en ambientes hostiles o reducirla para construir un catéter. Pero las posibilidades son muchas, según Meyers.