La estrella de mar de chispas de chocolate posee en la puntas de los brazos estructuras con forma de lente
Cuando los ingenieros piensan en materiales de protección, como los que se utilizan en embalajes y soportes, suelen pensar en resistencia, rigidez y durabilidad. Pero ¿y si esos mismos materiales también pudieran percibir su entorno externo?
Esa pregunta surgió de forma inesperada para Ling Li, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Pensilvania, cuando su laboratorio y sus colegas investigaban cómo las estrellas de mar construyen ligeros pero resistentes esqueletos.
"Estábamos estudiando las estrellas de mar para comprender cómo la naturaleza crea materiales esqueléticos porosos que son a la vez resistentes y ligeros", dice Li. "Entonces descubrimos estructuras con forma de lente incrustadas en las puntas de los brazos de las estrellas de mar".
Esa sorpresa se convirtió en el tema central de un estudio en el que Li, la estudiante de doctorado y primera autora Liuni Chen, y sus colaboradores de Penn Engineering, Virginia Tech, MIT, Bowdoin College, la Universidad de Carolina del Sur y el Instituto Zuse de Berlín revelaron que el esqueleto de la estrella de mar Protoreaster nodosus contiene estructuras minerales especializadas capaces de guiar y concentrar la luz.
Este hallazgo sugiere que la naturaleza podría haber desarrollado una forma de combinar el soporte mecánico y la detección óptica dentro del mismo sistema de materiales.
Imagen: Li sostiene los esqueletos de dos estrellas de mar de diferente tamaño, ambas mostrando el esqueleto de carbonato de calcio. Crédito: Universidad de Pensilvania
Materiales multifuncionales presentes en la naturaleza
Li reconoce que el descubrimiento fue accidental, pero que la multifuncionalidad del esqueleto de la estrella de mar es intencional y esperada.
"Los materiales naturales a menudo tienen que cumplir muchas funciones a la vez", dice Li. "Proporcionan soporte estructural, protección, detección y otras funciones. Estudiamos cómo se diseñan estos sistemas y extraemos los principios subyacentes que pueden inspirar futuros materiales de ingeniería, como estructuras ligeras y resistentes a los impactos, materiales de autodiagnóstico capaces de detectar daños y materiales diseñados para aplicaciones aeroespaciales, de transporte y de protección".
Al igual que otros equinodermos —como los erizos de mar y las estrellas quebradizas—, las estrellas de mar construyen sus esqueletos con carbonato de calcio, un mineral bien conocido por los ingenieros. Si bien es ligero y abundante, el carbonato de calcio es inherentemente frágil. Hacerlo poroso, una estrategia común para reducir su peso, generalmente lo vuelve aún más frágil.
Imagen: Imagen de microscopía electrónica de barrido (MEB) del esqueleto del brazo de una estrella de mar con el tejido blando eliminado. La placa terminal, ubicada en la punta del brazo, contiene numerosas estructuras guía de luz con forma de protuberancia. La imagen mide aproximadamente 5 mm de ancho. Crédito: Liuni Chen
Sin embargo, las estrellas de mar logran el resultado opuesto. Sus esqueletos son muy porosos, pero siguen siendo fuertes, resistentes y capaces de soportar las exigencias de la vida en el océano.
El grupo de Li se propuso inicialmente comprender cómo funciona esta extraordinaria arquitectura esquelética, lo que condujo al descubrimiento de una microestructura reticular de doble escala única, publicada como artículo de portada en la revista Science. Pero cuando examinaron las puntas de los brazos de la estrella de mar, notaron algo inusual: docenas de protuberancias lisas en forma de lentes incrustadas dentro del esqueleto mineral.
Colaboración interdisciplinaria para comprender la estrella de mar
Mediante imágenes de alta resolución y experimentos ópticos, los investigadores descubrieron que estas estructuras —llamadas estructuras de guía de luz— se extienden profundamente en el esqueleto como diminutos conos minerales. En lugar de tener únicamente una función mecánica, pueden transmitir y enfocar la luz incidente hacia una cavidad interna dentro del elemento esquelético.
Las simulaciones ópticas demostraron que las estructuras individuales pueden guiar aproximadamente el 70 % de la luz incidente, concentrándola en su base. Al funcionar simultáneamente como un conjunto, las estructuras recogen la luz en un amplio campo de visión y producen una señal varias veces más potente que la de cualquier estructura individual.
Imagen: Li sostiene el esqueleto de una estrella de mar (izquierda), compuesto por numerosos elementos esqueléticos de tamaño milimétrico llamados osículos. Estos osículos biomineralizados están formados principalmente por carbonato de calcio, la misma composición química que el cristal de calcita geológica que se muestra a la derecha para comparar. Crédito: Universidad de Pensilvania
El hallazgo ayudó a resolver un misterio de larga data. Hace décadas se habían observado características similares a lentes en estrellas de mar y estrellas frágiles, pero su función seguía sin estar clara.
"Otro grupo ya había identificado estructuras lenticulares similares en las ofiuras", dice Li. "Cuando encontramos características parecidas en las estrellas de mar, pudimos atar cabos e investigarlas sistemáticamente".
Combinando conocimientos especializados en ciencia de los materiales, óptica, biología, cristalografía y modelado computacional, el equipo de investigación se propuso comprender no solo el aspecto de las estructuras, sino también cómo podrían funcionar en la vida diaria del animal.
La capacidad de detectar la luz puede ayudar a los organismos marinos a identificar depredadores, encontrar refugio, localizar alimento y orientarse en su entorno. Si bien la función biológica exacta de estas estructuras aún se investiga, este estudio demuestra que el esqueleto de la estrella de mar cumple una función que va más allá de proporcionar soporte y protección.
Para los ingenieros, esa multifuncionalidad puede ser el aspecto más interesante del descubrimiento.
"En la naturaleza, una misma estructura suele cumplir múltiples funciones porque los organismos tienen que fabricar materiales costosos", afirma Li. "La evolución tiende a utilizar el mismo sistema de materiales para múltiples funciones, por lo que adoptar ese enfoque en la fabricación y el diseño de materiales solo contribuiría a que nuestras estructuras de ingeniería funcionen mejor y cuesten menos".
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Vídeo: Reconstrucción mediante microtomografía computarizada (μ-CT) de una placa terminal con los poros rellenos, que muestra la geometría sólida de la placa. Las protuberancias superficiales corresponden a estructuras de guía de luz (LGS), y la placa terminal presenta una geometría en forma de cúpula con una cavidad interna debajo, donde se concentra la luz transmitida. Crédito: Proceedings of the National Academy of Sciences (2026). DOI: 10.1073/pnas.2533437123
Aplicación de las lecciones aprendidas del esqueleto de las estrellas de mar a los materiales de ingeniería
El diseño multifuncional no es un concepto nuevo en ingeniería, pero integrar capacidades adicionales en un material suele implicar ciertas desventajas. Por ejemplo, añadir sensores puede comprometer la resistencia, el peso o la durabilidad.
Lo que aporta el laboratorio de Li a este enfoque de ingeniería es la forma en que busca soluciones en la naturaleza. El método de la estrella de mar puede ser una valiosa lección.
"En lugar de acoplar los componentes sensores a una estructura protectora, el animal integra la funcionalidad óptica directamente en su arquitectura esquelética", explica Li. "La misma estructura mineral porosa que proporciona soporte también contiene elementos incorporados que guían la luz, y estos organismos han tenido millones de años de evolución para perfeccionar estas funciones".
¿Por qué es importante en la ingeniería esta combinación particular de multifuncionalidad?
Este ejemplo de la naturaleza podría inspirar futuros materiales de ingeniería, como espumas ligeras, materiales de embalaje y componentes estructurales para naves espaciales capaces de proteger y monitorizar su entorno.
Los materiales celulares ligeros y las espumas se utilizan ampliamente en aplicaciones de embalaje, transporte y soporte estructural, pero generalmente solo cumplen funciones mecánicas. Inspirándose en la estrella de mar, los ingenieros podrían imaginar futuros materiales que incorporen capacidades de detección sin sacrificar el rendimiento estructural.
"Imagínese un panel protector que no sólo absorba impactos sino que también monitoree las condiciones ambientales, detecte daños o proporcione información sobre su entorno", dice Li. "La estrella de mar demuestra que tales combinaciones pueden ser posibles".
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Vídeo: Vídeo grabado durante el experimento de difracción de rayos X de monocristal (SCXRD). La placa terminal, montada en el portamuestras, giró 360° durante la adquisición de datos. La orientación cristalográfica resultante de la placa se muestra superpuesta sobre la muestra. Crédito: Proceedings of the National Academy of Sciences (2026). DOI: 10.1073/pnas.2533437123
Porosidad para mayor resistencia
El estudio también destaca otra lección de la naturaleza: la geometría importa.
Los esqueletos de las estrellas de mar están compuestos por intrincadas redes de poros que minimizan el uso de material sin comprometer su rendimiento mecánico. En los materiales de ingeniería convencionales, la adición de poros suele reducir la rigidez y la resistencia. La estrella de mar supera este desafío mediante un diseño arquitectónico cuidadosamente controlado.
"Las transiciones entre los poros son extremadamente blandas a nivel microscópico", explica Li. "Eso permite que las tensiones se distribuyan de manera más uniforme en toda la estructura".
Trabajos previos del grupo de Li demostraron que estas estructuras esqueléticas también pueden localizar fracturas, impidiendo que las pequeñas grietas se propaguen por todo el sistema. En conjunto, estas estrategias permiten que un mineral frágil se comporte de maneras que los materiales cerámicos convencionales normalmente no pueden.
El descubrimiento de estructuras que guían la luz añade un nivel más de sofisticación a un sistema de materiales ya de por sí extraordinario. En las simulaciones, las estructuras no solo transmitían luz, sino que también mejoraban la rigidez del esqueleto circundante, reforzando la idea de que las funciones ópticas y mecánicas pueden coexistir en un mismo diseño.
Seguimos descubriendo los secretos de la naturaleza
Descubrimientos como este ponen de relieve el valor de estudiar los sistemas naturales con curiosidad, en lugar de centrarse únicamente en las aplicaciones inmediatas.
"Muchos de los hallazgos más interesantes se producen por accidente", afirma Li. "Todavía hay muchas cosas que no sabemos sobre cómo funcionan estos organismos".
Ese espíritu explorador sigue guiando la investigación del laboratorio. El equipo investiga ahora cómo se forman las estructuras que guían la luz durante el crecimiento y la regeneración, un proceso conocido como biomineralización y morfogénesis. Comprender cómo construyen las estrellas de mar estas complejas arquitecturas minerales podría aportar información adicional sobre la fabricación sostenible y la producción de materiales.
"La naturaleza construye sofisticadas estructuras minerales a temperaturas y presiones ambientales, utilizando mucha menos energía que muchos procesos de fabricación industrial", afirma Li. "Al descubrir los mecanismos detrás de estos sistemas biológicos, podemos identificar nuevas vías para crear materiales avanzados de manera más eficiente".
El estudio se ha publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences: A biomineralized light-guiding structure in the porous calcitic skeleton of the sea star Protoreaster nodosus
