La tracción es importante. Los humanos han estado continuamente interesados en descubrir cómo moverse mejor sobre superficies mojadas o congeladas de manera segura, ya sea para mejorar los zapatos para caminar en las aceras o los neumáticos para maniobrar en las carreteras. Pero, ¿qué hace posible que algunos animales del Ártico caminen y corran sobre el hielo con tanta facilidad y gracia sin resbalar ni caer? Tres investigadores de la Universidad de Akron (UA) se sumergieron profundamente en las patas de los osos polares para averiguarlo. Su investigación fue publicada en la edición de noviembre de la Revista de la interfaz de la Royal Society.
¿Por qué osos polares?
El equipo del proyecto incluyó a Ali Dhinojwala, Profesor HA Morton de Ciencia de Polímeros en la Escuela de Ciencia de Polímeros e Ingeniería de Polímeros, Nathaniel Orndorf, Ph.D. graduado que ahora trabaja como científico de materiales sénior en Bridgestone Americas, y Austin Garner, un Ph.D. de 2021. graduado que ahora es profesor asistente de biología en la Universidad de Syracuse. El proyecto comenzó durante el apogeo de la pandemia cuando las cosas estaban bloqueadas.
«Tuvimos un proyecto en curso durante muchos años centrado en el hielo; estábamos analizando la fricción de los materiales y nos interesaba este tema porque estamos en Akron y nuestros socios nacionales necesitan desarrollar neumáticos con un fuerte agarre en la carretera con hielo. y las condiciones de la nieve», dijo Dhinojwala. «Nate estaba interesado en cómo la naturaleza se ha adaptado a esta solución para la nieve. El ejemplo que le vino a la mente fue el de los osos polares, y la investigación comenzó a partir de ahí».
El proyecto fue muy interdisciplinario y combinó enfoques y técnicas de investigación tanto biológica como de materiales. Orndorf y Dhinojwala son científicos de polímeros que integran la biología en su investigación, mientras que Garner es un biólogo animal que integra la ciencia de los materiales en su investigación.
La idea era observar las almohadillas de las patas de los osos polares. Al revisar la literatura más antigua, el equipo descubrió que el trabajo anterior estudió las microestructuras (papilas, las pequeñas protuberancias en la almohadilla del pie) de las patas del oso polar y afirmó que las papilas eran adaptaciones para mejorar la tracción en la nieve. Los estudios anteriores no incluyeron otras especies de osos, por lo que Garner ayudó a identificar dos especies estrechamente relacionadas con el oso polar (el oso pardo y el oso negro americano) y una lejanamente relacionada (el oso malayo) para incluir en el estudio.
«La tranquilidad del laboratorio durante la COVID me dio la oportunidad de conectarme con una variedad de científicos y ambientalistas de todo el país», dijo Orndorf. «Me acerqué a museos, taxidermistas y muchos otros para recolectar y ver muestras reales y réplicas de almohadillas de patas de oso».
Luego, Orndorf y Garner prepararon las muestras de las almohadillas de las patas de los osos y las tomaron con un microscopio electrónico de barrido. El equipo también creó impresiones en 3D de las estructuras para variar el diámetro y la altura de las características. Luego se probaron en la nieve en el laboratorio para ver cómo reaccionaban a las condiciones.
Lo que el equipo descubrió fue que todos los osos (excepto los osos malayos) tienen papilas en las almohadillas de las patas, pero que las papilas de los osos polares eran más altas, hasta 1,5 veces. Y que las papilas más altas de los osos polares ayudan a aumentar la tracción sobre la nieve en relación con las más cortas. Aunque los osos polares tienen almohadillas de patas más pequeñas en comparación con otras especies (probablemente debido a una mayor cobertura de piel para conservar el calor), las papilas más altas de los osos polares compensan sus almohadillas de patas más pequeñas, lo que les otorga un aumento del 30 al 50 % en la tensión de cizallamiento por fricción .
«Las papilas no son exclusivas de los osos polares. Trabajo anterior [in that area] hizo la suposición implícita de que las propias papilas son adaptaciones para mejorar la tracción en la nieve sin estudiar las almohadillas de las patas de otros osos. Fue fascinante para nosotros descubrir que los otros osos norteamericanos también los tienen y que las características físicas de las papilas son lo que importa para la tracción en la nieve», dijo Garner.
Impacto en la tracción
Ahora que se ha publicado la investigación, otros científicos y fabricantes pueden considerar su aplicación a sus proyectos específicos.
«Si observa los neumáticos para la nieve, verá que tienen bandas de rodadura más profundas, pero esta investigación también podría mostrar varias formas de diseñarlos que podrían tener un mayor impacto», dijo Dhinojwala.
Pero el interés no es solo para los fabricantes de neumáticos. «Las personas que escalan grandes alturas están interesadas en esta investigación, las empresas que se especializan en la entrega de mercancías con mal tiempo les encantaría tener un mejor agarre, etc.» añadió.
Los mismos experimentos también podrían realizarse en animales como perros, lobos, zorros y cabras montesas para determinar si los perfiles específicos de rugosidad de la superficie inducida por nieve/hielo están presentes en diferentes animales. [TE1] o si la naturaleza ha desarrollado diferentes perfiles de rugosidad de la superficie para aumentar la tracción sobre hielo y nieve, y qué perfil tiene el mejor rendimiento.
Basándose en investigaciones anteriores
Esta no es la primera investigación realizada en el área de tracción o agarre en la UA. Como parte del Centro de Investigación de Biomimética (BRIC) en la Universidad de Akron, y en colaboración con miembros de la facultad en el programa BRIC, Dhinojwala y su equipo han examinado la adhesión de gecos, la seda de araña, la adhesión de mejillones y los colores estructurales inspirados en pájaros y otros. organismos Su investigación cuenta con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias, la Oficina de Industrias e Investigación Científica de la Fuerza Aérea.
Su equipo continúa analizando el hielo: cómo se forma el hielo, la adhesión del hielo, etc. Investigación que es muy útil para las industrias automotriz y aeronáutica. Sus estudiantes acaban de comenzar a trabajar con la NASA en un proyecto financiado por una subvención en esta área.
«Es emocionante darles a nuestros estudiantes proyectos de investigación tan interesantes de los que formar parte», dijo Dhinojwala. «Son un activo para nuestro equipo, y muchos continúan siendo excelentes socios de investigación después de dejar la UA».
«El Programa de Doctorado en Biociencia Integrada de la UA brindó experiencias de investigación interdisciplinarias excepcionales que fueron formativas en mi desarrollo como investigador; esta colaboración fue sin duda una de ellas», dijo Garner. «Fue una experiencia particularmente única para mí porque la mayor parte de mi trabajo anterior se había centrado en cómo los lagartos pequeños, como los geckos, se adhieren a las superficies. Por lo tanto, fue una oportunidad emocionante y gratificante de aplicar mis habilidades y experiencia existentes a los grandes mamíferos como osos.»
