Así es como un camarón de hierba de pantano que nada libremente (Palaemonetes vulgaris) avanza utilizando la locomoción metacrónica para reducir la resistencia.
Camarones de hierba de pantano (Palaemonetes vulgaris) son nadadores increíblemente rápidos y ágiles, como puede atestiguar cualquiera que los haya visto deslizarse por las pozas de marea en la playa. Nils Tack, investigador postdoctoral en la Universidad de Brown, estudia la biomecánica y la dinámica de fluidos de cómo estas pequeñas criaturas logran la hazaña. Presentó sus últimos hallazgos en una reunión reciente de la Sociedad Estadounidense de Física sobre dinámica de fluidos en Indianápolis. Esencialmente, el camarón usa sus patas flexibles y poco espaciadas para reducir significativamente la resistencia. Los hallazgos ayudarán a los científicos a diseñar robots bioinspirados más eficientes para explorar y monitorear entornos submarinos.
Tack es biólogo de formación y actualmente trabaja en el laboratorio de Monica Wilhelmus. A principios de este año, el grupo presentó RoboKrill, un pequeño robot impreso en 3D con una sola pierna diseñado para imitar el movimiento de las piernas del krill (Eufasia superba) para que pueda moverse sin problemas en entornos submarinos. Por supuesto, el robot es significativamente más grande que el krill real, de hecho, unas 10 veces más grande. Pero es un desafío mantener y estudiar el krill en el laboratorio. La «pierna» de RoboKrill copió la estructura de los nadadores del krill con un par de apéndices accionados por engranajes, y Wilhelmus et al. usó imágenes de alta velocidad para medir el ángulo de sus apéndices a medida que se movía a través del agua. RoboKrill no solo producía patrones similares al krill real, sino que podía imitar la dinámica de natación de otros organismos ajustando los apéndices. Esperan algún día usar el robot para monitorear los enjambres de krill en la naturaleza.
Con respecto al estilo de natación del camarón de hierba de pantano, estudios previos mostraron que las criaturas podían maximizar el empuje hacia adelante gracias a la rigidez y al aumento de la superficie de sus patas. Esa investigación esencialmente trató las piernas (también conocidas como pleópodos) como paletas o placas planas que empujan el agua. Pero nadie miró de cerca cómo se doblaban las piernas durante los golpes de recuperación. «Es un sistema muy complejo», dijo Tack durante una sesión informativa en la reunión. “Tratamos de acercarnos [the topic] a través de dos ángulos, mirando el fluido y mirando las propiedades mecánicas de las piernas».
Video del flujo producido por un camarón de hierba de pantano durante la locomoción metacrónica, utilizando velocimetría de imágenes de partículas de campo claro.
Específicamente, Tack y sus colegas sembraron el agua con partículas microscópicas, lo que les permitió rastrear y calcular la velocidad y la dirección de las características del flujo, utilizando velocimetría de imagen de partículas (PIV) de campo brillante para visualizar el flujo de fluido alrededor de las patas batientes del camarón. También estudiaron las propiedades mecánicas de las patas de los camarones, una tarea nada fácil ya que cada pata tiene aproximadamente el tamaño de un grano de arena. «Básicamente empujamos las piernas con una fuerza conocida para ver cómo se doblan», dijo Tack.
Este enfoque dual permitió al equipo identificar dos mecanismos clave para reducir la resistencia. Primero, según Tack, notaron una gran diferencia en los patrones entre el golpe de potencia que produce empuje y el golpe de recuperación. «Descubrimos que las piernas son aproximadamente el doble de flexibles durante la brazada de recuperación y se doblan mucho», dijo. «Se mantienen casi horizontales en relación con la dirección en la que nadan». El resultado es una interacción menos directa con el agua y una estela reducida (vórtices más pequeños), a diferencia de la brazada de potencia, donde la pierna permanece muy rígida para maximizar la interacción con el agua.
En segundo lugar, la agrupación de los pleópodos durante el golpe de recuperación también resultó ser significativa. «Cada vez que regresan las piernas a la posición original, las mantienen cerca una de la otra el 100 por ciento del tiempo», dijo Tack. Eso es posible gracias a la flexibilidad, que crea un sello hermético entre las patas de los camarones. Entonces, en lugar de tres patas que se mueven por separado, sus patas se mueven esencialmente como una sola, lo que reduce significativamente la resistencia. «Se golpean las piernas seis veces por segundo, durante horas seguidas, por lo que es potencialmente mucha energía que no desperdician», dijo Tack. Él y sus colegas adaptarán su diseño de robot inspirado en los camarones de hierba en consecuencia.
Imagen de la lista del Smithsonian Environmental Research Center/CC BY 2.0