Las moscas de la fruta sincronizan los movimientos de sus cabezas y cuerpos para estabilizar su visión y volar de manera efectiva, según investigadores de Penn State que utilizaron simuladores de vuelo de realidad virtual. El hallazgo parece ser cierto en primates y otros animales, dicen los investigadores, lo que indica que los animales evolucionaron para mover sus ojos y cuerpos de forma independiente para conservar energía y mejorar el rendimiento. Esta comprensión podría informar el diseño de robots móviles avanzados, según el investigador principal Jean-Michel Mongeau, profesor asistente de ingeniería mecánica.
Los investigadores publicaron sus resultados ayer, 3 de mayo, en Las Actas de la Academia Nacional de Ciencias.
«Descubrimos que al controlar la mirada, las moscas de la fruta minimizan el gasto de energía y aumentan el rendimiento del vuelo», dijo Mongeau. «Y, utilizando esa información de coordinación, desarrollamos un modelo matemático que predice con precisión una sincronización similar en [other] animales visualmente activos».
Los investigadores utilizaron cámaras de alta velocidad para grabar una mosca de la fruta rodeada de pantallas de video LED en las que proyectaron imágenes de lo que vería una mosca mientras volaba, creando una experiencia de realidad virtual inmersiva y haciendo que la mosca se moviera como si volara libremente.
«Cuando una mosca se mueve, coordina su cabeza, alas y cuerpo para volar por el aire, evadir a los depredadores o buscar comida», dijo Mongeau. «Estábamos interesados en estudiar cómo las moscas coordinan estos movimientos, y lo hicimos simulando el vuelo en realidad virtual».
En respuesta al movimiento visual lento y rápido en el simulador de vuelo de realidad virtual, la mosca movió la cabeza y el cuerpo a diferentes velocidades. Los investigadores tomaron medidas y rastrearon los movimientos de la cabeza de la mosca para determinar la dirección de su mirada, ya que sus ojos están fijos en su cabeza y no pueden moverse de forma independiente.
«Descubrimos que los movimientos de la cabeza y el cuerpo de la mosca eran complementarios, ya que el cuerpo se movía más durante el movimiento visual más lento, mientras que la cabeza se movía más durante el movimiento más rápido», dijo Mongeau. «El trabajo conjunto del cuerpo y la cabeza ayudó a estabilizar el movimiento de vuelo de muy lento a muy rápido».
Probando más los conceptos, los investigadores inmovilizaron la cabeza de la mosca y la sometieron a los mismos estímulos visuales. Descubrieron que la mosca no podía responder al movimiento visual rápido, lo que demuestra la ventaja de los movimientos complementarios del cuerpo y la cabeza.
«Descubrimos que la cabeza y el cuerpo trabajando juntos son ventajosos desde el punto de vista de la energía», dijo Mongeau. «Dado que la cabeza es más pequeña, tiene menos resistencia al movimiento o inercia, lo que significa que puede responder a movimientos rápidos, mientras que el cuerpo mucho más grande responde mejor a movimientos más lentos. Ajustar estos dos componentes ahorra energía y aumenta el rendimiento no solo para el volar, sino también para otros animales».
Usando la teoría de control, una rama de la ingeniería que se ocupa del diseño de sistemas de retroalimentación como los pilotos automáticos, los investigadores compararon los hallazgos de los movimientos de la mosca con otros animales, incluido un estudio clásico de los movimientos de los primates.
«Usando el mismo modelo, observamos las proporciones de inercia de los ojos, la cabeza y el cuerpo en otras partes del reino animal, incluso en otros insectos, ratas y pájaros», dijo Mongeau. «La forma en que las moscas mueven la cabeza y el cuerpo es muy similar a la forma en que los primates mueven la cabeza y los ojos, lo cual es notable ya que divergieron hace cientos de millones de años».
Así como una cabeza es más ligera que un cuerpo, los ojos son más ligeros que una cabeza y requieren menos energía para moverse. Según Mongeau, los ojos y las cabezas que se movían de forma independiente marcaron la transición del agua a la tierra en el registro fósil de los vertebrados.
«A medida que los animales vertebrados hicieron la transición del agua a la tierra hace más de 350 millones de años, el desarrollo de mecanismos para controlar los movimientos de la cabeza y los ojos podría haber tenido beneficios evolutivos sustanciales», dijo Mongeau. «Descubrimos que hay un punto óptimo en las proporciones ojo-cabeza-cuerpo, lo que sugiere que la inercia puede haber sido una limitación importante en la evolución de la visión».
Los hallazgos de los investigadores podrían usarse para mejorar la eficiencia energética y el rendimiento en robótica, según Benjamin Cellini, candidato a doctorado en ingeniería mecánica y primer autor del artículo.
«En robótica, los sensores suelen estar fijos en el lugar», dijo Cellini. «Pero en el reino animal, la detección y el movimiento están acoplados, ya que muchos sensores físicos, como los ojos, se mueven. Inspirándonos en la biología, podemos diseñar robots más eficientes energéticamente haciendo que los sensores basados en la visión sean móviles».
Wael Salem, candidato a doctorado en ingeniería mecánica, es coautor del artículo.
La Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de EE. UU. y la Beca de Investigación Alfred P. Sloan apoyaron este trabajo.
Video: https://youtu.be/k6bJckEh6Hw
