Los colibríes ocupan un lugar único en la naturaleza: vuelan como insectos pero tienen el sistema musculoesquelético de las aves. Según Bo Cheng, Kenneth K. y Olivia J. Kuo, profesor asociado de carrera temprana en ingeniería mecánica en Penn State, los colibríes tienen una agilidad aérea y formas de vuelo extremas, razón por la cual muchos drones y otros vehículos aéreos están diseñados para imitar el movimiento de los colibríes. Utilizando un método de modelado novedoso, Cheng y su equipo de investigadores obtuvieron nuevos conocimientos sobre cómo los colibríes producen el movimiento de las alas, lo que podría conducir a mejoras en el diseño de los robots voladores.
Sus resultados fueron publicados esta semana en el Actas de la Royal Society B.
«Esencialmente hicimos ingeniería inversa del funcionamiento interno del sistema musculoesquelético del ala: cómo funcionan los músculos y el esqueleto en los colibríes para batir las alas», dijo el primer autor y estudiante graduado de ingeniería mecánica de Penn State, Suyash Agrawal. «Los métodos tradicionales se han centrado principalmente en medir la actividad de un ave o un insecto cuando están en vuelo natural o en un entorno artificial donde se simulan condiciones similares a las de un vuelo. Pero la mayoría de los insectos y, específicamente entre las aves, los colibríes son muy pequeños. Los datos que podemos obtener de esas medidas son limitadas».
Los investigadores utilizaron literatura sobre anatomía muscular, datos de simulación de dinámica de fluidos computacional e información sobre el movimiento del esqueleto del ala capturada mediante métodos de micro-CT y rayos X para informar su modelo. También utilizaron un algoritmo de optimización basado en estrategias evolutivas, conocido como algoritmo genético, para calibrar los parámetros del modelo. Según los investigadores, su enfoque es el primero en integrar estas partes dispares para volantes biológicos.
«Podemos simular todo el movimiento reconstruido del ala del colibrí y luego simular todos los flujos y fuerzas generados por el aleteo, incluida toda la presión que actúa sobre el ala», dijo Cheng. «A partir de eso, podemos volver a calcular el par muscular total requerido que se necesita para batir el ala. Y ese par es algo que usamos para calibrar nuestro modelo».
Con este modelo, los investigadores descubrieron principios previamente desconocidos de la actuación del ala del colibrí.
El primer descubrimiento, según Cheng, fue que los músculos primarios de los colibríes, es decir, sus motores de vuelo, no baten simplemente sus alas en un simple movimiento de ida y vuelta, sino que tiran de sus alas en tres direcciones: arriba y abajo, atrás adelante y atrás, y torcer o cabecear el ala. Los investigadores también encontraron que los colibríes tensan las articulaciones de los hombros tanto en la dirección hacia arriba y hacia abajo como en la dirección de cabeceo utilizando múltiples músculos más pequeños.
«Es como cuando hacemos entrenamiento físico y un entrenador te dice que aprietes tu núcleo para ser más ágil», dijo Cheng. «Descubrimos que los colibríes utilizan un tipo de mecanismo similar. Aprietan sus alas en las direcciones de cabeceo y de arriba hacia abajo, pero mantienen el ala floja en la dirección de ida y vuelta, por lo que sus alas parecen aletear de un lado a otro solo mientras que sus músculos de potencia, o sus motores de vuelo, en realidad tiran de las alas en las tres direcciones. De esta manera, las alas tienen muy buena agilidad en el movimiento hacia arriba y hacia abajo, así como en el movimiento de giro».
Si bien Cheng enfatizó que los resultados del modelo optimizado son predicciones que necesitarán validación, dijo que tiene implicaciones para el desarrollo tecnológico de vehículos aéreos.
«Aunque todavía no existe la tecnología para imitar completamente el vuelo de los colibríes, nuestro trabajo proporciona principios esenciales para la imitación informada de los colibríes, con suerte para la próxima generación de sistemas aéreos ágiles», dijo.
Los otros autores fueron Zafar Anwar, estudiante de doctorado en el Departamento de Ingeniería Mecánica de Penn State; Bret W. Tobalske de la División de Ciencias Biológicas de la Universidad de Montana; Haoxiang Luo del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Vanderbilt; y Tyson L. Hedrick del Departamento de Biología de la Universidad de Carolina del Norte.
La Oficina de Investigación Naval financió este trabajo.
Fuente de la historia:
Materiales proporcionado por Estado de Pensilvania. Original escrito por Sarah Small. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
