En ciencia, la inspiración puede venir de cualquier parte.
Un investigador podría preguntarse sobre el empuje producido por las alas de las mariposas cuando revolotean por un prado. Tal vez ver a las ardillas navegar por los árboles del campus como los artistas del parkour despierta curiosidad sobre lo que pasa por sus pequeñas mentes peludas cuando deciden saltar de una rama a otra.
Otros, por supuesto, obtienen su chispa de fuentes menos probables: analizar los intestinos de los tiburones o estudiar cómo caminan los osos de agua microscópicos.
Estos escenarios y más científicos inspiraron a observar más de cerca el mundo natural este año, pero su influencia no se detendrá allí. Los descubrimientos en la naturaleza a menudo inspiran nuevos diseños para la filtración de agua, paneles solares, materiales de construcción y muchos, muchos robots.
Aquí hay diez hallazgos de 2021 que algún día podrían conducir a nuevos inventos.
Los intestinos de tiburón funcionan como válvulas Tesla
En 1920, el inventor serbio-estadounidense Nikola Tesla diseñó un dispositivo sin partes móviles que permite que el fluido se mueva en una dirección mientras evita el reflujo. Estos conductos valvulares, como los llamó el propio Tesla, están hechos de una serie de bucles fijos en forma de lágrima que permiten que el fluido viaje fácilmente a través del dispositivo, pero ralentiza y bloquea cualquier líquido que regrese. Hizo las válvulas como parte de una nueva máquina de vapor en la que estaba trabajando, pero se declaró en bancarrota varios meses después, dejando la patente olvidada durante décadas .
Los intestinos tienen un propósito similar: absorben los nutrientes de los alimentos y eliminan los desechos, que ciertamente no deberían salir por donde llegaron.
En el reino animal, los intestinos tienen todas las formas y tamaños. La mayoría de las criaturas, incluidos los humanos, tienen intestinos tubulares que requieren contracciones musculares para empujar la comida. Pero los intestinos de los tiburones mueven lentamente las comidas digeridas a través de espirales en forma de resorte o embudos anidados, según la especie, para consumir hasta la última caloría y deshacerse del resto.
Este año, los investigadores encontraron que estos órganos en espiral también se asemejan al diseño y la función de las válvulas de Tesla . Los giros, vueltas y embudos facilitan el avance de los fluidos, lo que podría ser una forma de digestión que ahorra energía.
«Los tiburones tienen todos estos pequeños ajustes diferentes en el diseño de la válvula Tesla que podrían hacerlos más eficientes», dijo a New Scientist en julio la autora del estudio, Samantha Leigh, fisióloga animal de la Universidad Estatal de California en Dominguez Hills .
El estudio de estas maravillas naturales de la ingeniería podría mejorar los sistemas de filtración de aguas residuales para eliminar los microplásticos. “Planeamos trabajar este próximo año para determinar qué tan efectivas son las diferentes morfologías para filtrar partículas de varios tamaños”, le dice Leigh al Smithsonian por correo electrónico. «Dependiendo de los resultados, podríamos ‘modificar’ el diseño del intestino en espiral para hacer filtros que sean lo más efectivos posible para filtrar los microplásticos de las aguas pluviales [o] residuales».
Las ardillas pueden enseñar a los robots una lección sobre agilidad y recuperación
Al navegar por las copas de los árboles, las ardillas se arriesgarán a dar un salto de larga distancia si hay una rama resistente en la que aterrizar. Pero incluso si su próxima parada es endeble, las habilidades de recuperación de nivel experto de una ardilla, posiblemente desarrolladas a partir de errores pasados, casi siempre las ayudan a mantener el aterrizaje.
Estas dos lecciones de nuestros amigos difusos podrían ser útiles para diseñar cómo los robots ágiles analizan un objetivo al que saltar y cómo recuperan las marcas perdidas, según una investigación publicada en agosto .
«Al igual que las ardillas, la próxima generación de robots rápidos y ágiles de patas podría percibir oportunidades para explotar aspectos específicos del mundo que los rodea que complementan directamente sus propias capacidades», dice por correo electrónico el autor del estudio, Nathaniel Hunt, ingeniero biomecánico de la Universidad de Nebraska. . “Los sensores y la percepción pueden diseñarse para identificar directamente solo la información crítica que respalda las decisiones de movimiento y el control mientras se ignora una gran cantidad de información irrelevante”.
Para obtener más información sobre cómo las ardillas navegan con éxito de una rama a otra, los científicos pusieron a prueba a las ardillas zorro salvaje en una carrera de obstáculos en un bosque de eucaliptos en el campus de la Universidad de California en Berkeley. El equipo analizó cómo las ardillas alteraron sus saltos dependiendo de la flexibilidad de la rama (cronometrando su lanzamiento un poco antes) y cómo se prepararon para la variación de distancia y altura, girando en el aire para encontrar algo en lo que rebotar y darles un impulso. Después de pasar por un salto complicado varias veces, finalmente lograron el truco con facilidad.
Los ingenieros que diseñan robots para «inspección y mantenimiento, trabajo en el hogar e incluso exploración» pueden aprender algunas cosas de estos roedores de cola tupida, explica Hunt.
“A medida que los robots salen de los laboratorios y comienzan a trabajar en el mundo real, de alguna manera tienen que lidiar con la complejidad de interactuar con diferentes superficies y objetos, varios materiales que son duros o blandos, lisos o rugosos, y deben reaccionar de manera apropiada. cuando chocan con algo, pierden tracción o sucede algo inesperado ”, dice.
Los escarabajos carroñeros caminan boca abajo debajo de la superficie del agua
Gracias a la tensión superficial, las arañas, las hormigas, los caracoles y las lagartijas pueden caminar sobre el agua , pero los escarabajos carroñeros realizan una hazaña más complicada. Estos insectos se dan la vuelta y se escabullen justo debajo de la superficie del agua, como si se aferraran a la parte inferior de una mesa de vidrio.
«En el momento en que me di cuenta de que el escarabajo se movía por la parte inferior de la superficie del agua, supe que había encontrado algo realmente extraño», dice el biólogo conductual John Gould, de Live Science .
En el primer estudio para analizar esta habilidad en profundidad, los investigadores filmaron la técnica de rastreo invertido de los insectos. Se sabe que estos escarabajos atrapan burbujas de aire con los pelos de las patas para mantenerlos oxigenados, pero las imágenes de video muestran que este comportamiento también puede mantenerlos a flote y clavados en la superficie. Es probable que la burbuja le dé al insecto suficiente apoyo para ejercer cierta presión sobre el límite entre el agua y el aire sin atravesarlo. Los pasos del escarabajo incluso empujan hacia arriba «pequeñas colinas» de agua a lo largo de la superficie a medida que avanzan, dice Gould a Science News .
Los científicos todavía tienen muchas preguntas sobre la fisiología del escarabajo en sí, como cómo la anatomía de su pie afecta esta habilidad o si diferentes partes de su cuerpo son resistentes al agua. Estudiar los talentos del escarabajo carroñero podría inspirar a pequeños robots acuáticos que navegan al revés, dice Gould por correo electrónico.
Ya existen algunos micro-robots desnatadores de agua , y los ingenieros también están construyendo robots que pueden moverse entre ambientes terrestres y acuáticos. Sin embargo, los modelos actuales requieren «múltiples estilos de locomoción o inhiben la locomoción en un entorno por el bien del otro», dice Gould. Un escarabajo-bot podría eliminar la necesidad de modelos híbridos porque el dispositivo caminaría sobre la tierra de la misma manera que puede caminar bajo el agua. “Creemos que esto podría hacer avanzar aún más las capacidades de las locomotoras robóticas para fines militares o de búsqueda y rescate”, agrega.
El escarabajo en el estudio no solo podría moverse debajo de la superficie, sino que también podría permanecer inmóvil en un lugar. Un adhesivo acuático inspirado en escarabajos o un diseño estructural también podría ser una solución para mantener objetos en la superficie del agua para medir vibraciones, tomar lecturas de temperatura o recopilar otros datos.
“Podría ser posible sintetizar materiales que puedan aprovechar esta hazaña y permanecer pasivamente en la superficie del agua sin gastar energía”, dice Gould. «Los dispositivos hechos de estos materiales pueden permanecer en la superficie del agua mientras permanecen completamente sumergidos y sin perforar o interrumpir la superficie del agua, a diferencia de otros dispositivos que requieren un dispositivo de flotación que se coloca sobre el agua».
Un gecko que desafía al cáncer y sus 900 bebés podrían inspirar nuevos tratamientos para el melanoma
En una subasta en 2015, el criador de reptiles Steve Sykes compró un raro par de geckos «escarcha de limón» por $ 10,000. Pero cuando comenzó a criar el gecko macho, Sr. Frosty, notó que muchas de las crías tenían pequeños tumores blancos que crecían en la piel. Casi el 80 por ciento de los geckos helados de limón, un tipo de morfo genético criado por su color soleado, desarrollarán este cáncer de piel que surge de las células productoras de pigmento llamadas iridóforos.
El genetista de la Universidad de California, Los Ángeles, Longhua Guo, se acercó a Sykes para estudiar las formas de los geckos y decidió investigar el misterio genético de los geckos de escarcha de limón. Guo y su equipo encontraron un gen llamado SPINT1, que está relacionado con el cáncer de piel en humanos, también es responsable tanto del brillo dorado de los geckos como de sus tumores. Estudiar más SPINT1 podría ayudar a los científicos a comprender mejor cómo se desarrollan ciertos cánceres en los seres humanos y tal vez conducir a nuevas formas de tratar la enfermedad.
A Guo le gustaría «intentar cultivar los iridóforos cancerosos para desarrollar una nueva línea celular para investigar las vías tumorales, así como posibles tratamientos», según The Scientist .
Hablando con Scientific American en junio, Lara Urban, investigadora del genoma de la Universidad de Otago en Nueva Zelanda que no participó en el estudio, dice que estudiar cómo se expresa el gen en geckos que nunca desarrollan cáncer podría ser un camino para futuros estudios.
«Creo que tendrá un impacto en la investigación del cáncer, ya que ahora entendemos un poco mejor la conservación de esta vía [genética SPINT1]», dice Urban. «También será un posible organismo modelo nuevo para estudiar el desarrollo del cáncer de piel y contribuir al desarrollo terapéutico real».
Los científicos ven cómo las alas de mariposa crecen escamas por primera vez
Por primera vez, los investigadores del MIT observaron una crisálida mientras se formaban las escamas de colores del ala de una mariposa, y capturaron imágenes continuas del proceso , según un estudio publicado este mes en la revista PNAS . El estudio de este proceso podría algún día inspirar nuevos materiales multifuncionales en colores vibrantes que también brinden control de temperatura y resistencia al agua, dice el autor del estudio Mathias Kolle, ingeniero mecánico del MIT.
«Creemos que poder ver y comprender los procesos y las palancas de control en el centro de la capacidad de las mariposas para adaptar la estructura y el rendimiento del material nos ayudará a traducirlos de manera sostenible en estrategias para formar la próxima generación de materiales funcionales avanzados», dijo. le dice al Smithsonian por correo electrónico.
Primero, el equipo crió orugas de dama pintada ( Vanessa cardui ) hasta que entraron en metamorfosis y desarrollaron una crisálida. Luego, quitaron con cuidado parte de la carcasa exterior y colocaron un cubreobjetos transparente sobre la abertura con un bioadhesivo. Con una ventana a la transformación, el equipo utilizó microscopía de fase de reflexión de correlación de moteado para ver más de cerca. En lugar de usar una luz de haz ancho que podría ser fototóxico para el ala delicada, la microscopía de fase de reflexión de correlación de moteado proyecta pequeños puntos de luz sobre ubicaciones específicas, creando un campo de iluminación como luciérnagas en un prado al anochecer.
En cuestión de días, las células se alinearon para formar filas de escamas en un patrón alterno por encima y por debajo del ala, como tejas en un techo. Luego, cada escala desarrolló surcos de nanómetros de altura. Los investigadores sospechan que estas crestas ayudan a las mariposas a arrojar agua como canalones de lluvia microscópicos, así como a acumular calor para mantenerlas secas.
“Creemos que este trabajo podría conducir a nuevos inventos porque las escamas de mariposa son un gran ejemplo biológico de una solución material con múltiples funciones codiciadas, todas habilitadas por la misma estructura”, dice Kolle. «Estas funciones incluyen el control de la apariencia óptica y el color, la termorregulación, las características de humectación y la dinámica de vuelo».
Debido a que cada escala está hecha de quitina, «el segundo biopolímero más abundante en la Tierra después de la celulosa», dice Kolle, un nuevo material inspirado en las alas de las mariposas también podría ser biodegradable y fácil de cambiar o actualizar. Él imagina, tal vez, una versión pulverizable de las escamas que podría usarse en edificios, vehículos o ropa para proporcionar impermeabilización y agregar un poco de color.
“De cualquier manera, imagina lo genial que sería, si solo tuviéramos un tambor en el que cultivamos las células que forman escamas, y luego las rociamos sobre una superficie y suministramos un disparador que hace que las células crezcan escamas del color deseado. , textura y comportamiento humectante ”, dice Kolle.
Los lémures enanos de cola gorda hibernan en cautiverio por primera vez
Los lémures enanos de cola gruesa son nuestros parientes primates más cercanos que hibernan en la naturaleza. Por primera vez, los investigadores pudieron recrear las condiciones necesarias para inducir a los lémures a hibernar en el Centro Lemur de la Universidad de Duke, que les dio un asiento de primera fila para aprender sobre este proceso metabólico único y lo que podría enseñarnos sobre los humanos. La especialista en comportamiento de primates Marina Blanco y su equipo informaron sus hallazgos en marzo en la revista Scientific Reports .
Para crear el ambiente para una buena siesta, los investigadores hicieron un hueco en un árbol improvisado para que los lémures se instalaran en su recinto. Expusieron a las criaturas a 9,5 horas de luz en lugar de 11 horas veraniegas para imitar la luz del día acortada del invierno. También bajaron la temperatura del recinto a 50 grados Fahrenheit.
Durante cuatro meses, los lémures somnolientos habían debilitado el metabolismo, las temperaturas corporales eran más frías y los apetitos mucho más ligeros. Su frecuencia cardíaca se redujo a ocho latidos por minuto. Cuando volvieron a surgir en primavera, se recuperaron de inmediato.
“Es importante señalar que la reducción metabólica de los hibernadores está controlada, lo que significa que pueden tolerar estos extremos sin efectos nocivos”, dice Blanco por correo electrónico. A pesar de no moverse ni comer durante meses, estos animales mantienen la masa muscular y la función de los órganos.
Aprender cómo otro primate hiberna podría mejorar nuestros métodos actuales para ralentizar los procesos del cuerpo durante las cirugías que salvan vidas o tal vez incluso los viajes espaciales a largo plazo, explica un comunicado de prensa de Duke .
“Los viajes espaciales exitosos [a destinos lejanos] requerirán meses o años inactivos en tránsito”, explica Blanco. «Lo más cercano a la animación suspendida necesaria sería inducir estados de hibernación en los astronautas».
Los científicos descifran el «aplauso» de las alas de mariposa
Una mariposa tiene una forma diferente a la de cualquier otro animal volador, lo que hace que analizar su vuelo sea aún más emocionante e inspirador para los científicos. Un estudio publicado en enero de 2021 encontró que las mariposas usan un método eficiente de ventosas y aplausos para generar empuje.
Primero, un par de biólogos de la Universidad de Lund, Christoffer Johansson y Per Henningsson, realizaron un análisis aerodinámico de mariposas en vuelo libre. A partir de estas observaciones, encontraron que los insectos de alas anchas batían sus alas juntas en los movimientos ascendentes, pero las alas no se presionan juntas como un par de manos en medio de un aplauso. En cambio, las alas de las mariposas se doblan, lo que los investigadores sospecharon que podrían contener aire entre ellas para fortalecer su movimiento descendente.
Para poner a prueba sus sospechas, los científicos compararon las capacidades de aleteo de dos aplaudidores robóticos: uno con alas rígidas y otro con alas flexibles. Descubrieron que la flexibilidad aumentaba la eficiencia del ala en un 28 por ciento y agregaba un 22 por ciento más de fuerza a sus flaps.
En la naturaleza, el aplauso de las alas de una mariposa probablemente les dé el impulso adicional que necesitan para escapar de los depredadores. De vuelta en el laboratorio, la pareja espera que sus observaciones inspiren nuevos robots voladores y nadadores.
“Ya hoy en día hay drones batidores que baten las alas juntos, como el DelFly , pero no utilizan el aplauso para la propulsión, sino que producen principalmente fuerzas a partir del aleteo”, dice Johansson por correo electrónico.
Hacer robots aleteadores flexibles podría ser una forma de bajo consumo de energía para impulsar el empuje. Del mismo modo, la adición de flexibilidad podría ser de gran ayuda para la robótica submarina en entornos reducidos, tal vez para la arqueología submarina.
«Un dron diseñado para maniobras lentas y precisas con aletas de remo podría mejorar el rendimiento al golpear las aletas contra el cuerpo», dice. «Las aletas flexibles podrían entonces crear una forma de copa de la aleta, similar a lo que hemos visto en las alas de mariposa, mejorando la direccionalidad del chorro producido y la eficiencia de la producción de empuje».
Los tardígrados tienen un paseo parecido al de los insectos
¿Qué tan inspiradores son los tardígrados? Vamos a contar las maneras.
Primero, parecen osos gruesos , diminutos de ocho patas, de ahí su apodo, osos de agua. Estos extremófilos acuáticos casi microscópicos pueden sobrevivir en los lugares más inhóspitos de la Tierra, incluidas temperaturas gélidas de cero absoluto, respiraderos hidrotermales hirviendo, un vacío de espacio y una presión seis veces más aplastante que el océano profundo, según National Geographic .
Mientras que otras criaturas de cuerpo blando se agitan, se deslizan y se retuercen como gusanos, los tardígrados son el único animal de cuerpo blando que puede caminar. En un estudio publicado en la revista PNAS en agosto, los investigadores observaron horas de imágenes de osos de agua caminando sobre diferentes superficies, desde vidrio hasta geles.
El equipo descubrió que los tardígrados caminan como insectos 500.000 veces su tamaño . Aunque se mueven solo la mitad de su ya minúscula longitud corporal (0,5 milímetros) por segundo en promedio, pueden mover dos longitudes corporales en la misma cantidad de tiempo a la máxima velocidad. Por lentos que sean, también parecen ajustar sus pasos de acuerdo con el terreno por el que navegan.
Debido a que su puntal los ha llevado a los confines de la Tierra, estudiar su forma de andar podría inspirar nuevas formas de locomoción para los robots a microescala.
«Tienen algunas formas simples y altamente efectivas de coordinar cómo se mueven sus ocho patas, y lo hacen con un mínimo de capacidad cerebral utilizando algunas reglas simples que son sorprendentemente similares a las que se usan en ciertas especies de insectos mucho más grandes», dice el autor del estudio Daniel Cohen. , ingeniero mecánico de la Universidad de Princeton. “Esto es genial para inspirarse porque muestra que los robots pequeños, donde la potencia de cálculo y el peso son limitaciones, no necesitan mucho para caminar bien”.
Los nanobots inspirados en los tardígrados podrían inyectarse en el tejido dañado para repararlo o en una arteria para eliminar la acumulación de placa, algo así como la tripulación del submarino encogido en la película de ciencia ficción Fantastic Voyage de 1966 .
“Y para un enfoque completamente de ciencia ficción: los osos de agua nos muestran lo que es posible en ese tamaño cuando te ves como ellos. Son como el ‘modelo mínimo’ de lo que se puede hacer con las piernas ”, explica Cohen. «Quizás algún día podamos realmente diseñar tejidos con nuestros propios ‘bio-bots’ multicelulares hechos de células vivas e inspirados por osos de agua».
Slime Mould almacena «recuerdos» sin siquiera tener cerebro
Aunque ocasionalmente pueden parecerse a los hongos, los mohos limosos son amebas globulosas que viven en el suelo y que vienen en muchas formas extrañas y colores brillantes . A pesar de carecer de cerebro o sistema nervioso, el moho puede navegar por un laberinto o recordar la ubicación de los alimentos.
Al igual que los fractales pegajosos, los organismos unicelulares desatan zarcillos tubulares, que también transportan fluidos y nutrientes a lo largo de su extenso plan corporal similar a una red, para explorar nuevos entornos. En un estudio publicado en la revista PNAS en febrero, los investigadores encontraron que registran detalles importantes de su entorno al cambiar el diámetro de estos tubos extendidos.
Cuando los científicos estudiaron un moho de limo amarillo soleado llamado Physarum polycephalum bajo un microscopio, observaron que los tubos se volvían más gruesos cuando encontraron comida y más delgados cuando no encontraron ninguno. Es probable que algún tipo de señal química desencadene estos cambios.
“Dada la reorganización de la red altamente dinámica de P. polycephalum , la persistencia de esta huella dio lugar a la idea de que la arquitectura de la red en sí misma podría servir como memoria del pasado”, dice la autora del estudio Karen Alim, biofísica de la Universidad Técnica de Munich, en una declaración.
Esta red imita de alguna manera cómo nuestro cerebro almacena la memoria mediante la plasticidad sináptica, lo que significa que las sinapsis se vuelven más fuertes o más débiles según el uso. Del mismo modo, los tubos de moho que encuentran alimento crecen y los callejones sin salida se marchitan.
Usando polímeros a base de proteínas, geles u otros materiales biológicos, los investigadores podrían adaptar este tipo de almacenamiento de memoria y señalización química en inteligencia artificial sin la necesidad de electrónica, explica Alim, lo que podría ser una bendición para la robótica blanda que carece de dicho hardware. Si el resto del robot se fabrica con biomaterial, dice, se podría usar un sistema inspirado en el moho de lodo en situaciones en las que la toxicidad es motivo de preocupación, como para aplicaciones médicas o procesamiento de agua.
“Aquí, los flujos de fluidos son un método interesante tanto para impulsar la movilidad como para codificar la toma de decisiones necesaria para el comportamiento autónomo”, explica Alim por correo electrónico. «Construir los robots con material sensible que se expande en respuesta a la concentración de moléculas de señalización sería aquí una implementación directa del mecanismo de memoria que observamos en Physarum».
Con una proteína similar al jabón, las células humanas pueden protegerse de las bacterias
Nuestro sistema inmunológico tiene soldados celulares especializados, como células T y células B, listos para combatir las invasiones bacterianas. Sin embargo, las células no inmunes no están completamente indefensas. Una investigación publicada en Science en julio encontró que ciertas proteínas tienen literalmente la capacidad de un detergente para eliminar las bacterias como una mancha de grasa. Investigar más estas proteínas podría inspirar un tipo de antibiótico totalmente nuevo.
“Este es un caso en el que los humanos producen su propio antibiótico en forma de proteína que actúa como un detergente”, dice el autor del estudio John MacMicking, inmunobiólogo de la Universidad de Yale, en un comunicado. «Podemos aprender de eso».
Primero, el equipo infectó células no inmunes con Salmonella , una bacteria en forma de bastón que afecta los intestinos. Luego, examinaron los genes de la célula en busca de proteínas protectoras y encontraron una coincidencia: APOL3. Esta proteína tiene partes atraídas por el agua y otras partes atraídas por las grasas, al igual que el detergente para ropa. APOL3 ataca los lípidos grasos que recubren la membrana bacteriana interna con precisión, sin confundir nunca una membrana celular humana con el invasor.
A medida que aumenta la resistencia a los antibióticos, se necesita una opción alternativa. Los patógenos pueden tener sus propias proteínas que interfieren con los contraataques de APOL3, pero los investigadores podrían diseñar un nuevo antibiótico que se dirija a esas molestas proteínas para que APOL3 pueda hacer lo suyo. Cohen también sugiere diseñar pequeñas moléculas que imiten las acciones de APOL3 utilizando lo que se llama terapia dirigida por el huésped, que crea un entorno hostil para el patógeno en lugar de desarmarlo directamente.
Pero primero, los científicos deben comprender la variedad de infecciones controladas por APOL3 y otras proteínas de defensa inmunológica. «Eso incentivará el esfuerzo de investigación para abordar importantes patógenos bacterianos, virales y parasitarios humanos, especialmente si la resistencia a los antibióticos ya es frecuente para esos microbios y necesitamos nuevos medicamentos», dice MacMicking por correo electrónico.
“Las invenciones que imitan las actividades de las proteínas del huésped todavía están relativamente poco estudiadas”, explica MacMicking. «Esto podría ser un terreno fértil, ya que nuestras defensas inmunológicas son en gran medida indiferentes a si los patógenos son actualmente sensibles o resistentes a los antibióticos conocidos».
https://www.smithsonianmag.com/innovation/ten-scientific-discoveries-from-2021-that-may-lead-to-new-inventions-180979285/