Las ligaduras en la cabeza del bagre podrían inspirar nuevos robots submarinos

bagre de canal (Ictalurus punctatus)

La representación más completa hasta la fecha de cómo funciona mecánicamente un cráneo de pez

Una nueva investigación sobre cómo capturan a sus presas los bagres proporciona una visión incomparable de la mecánica interna de los cráneos del pez y podría inspirar el diseño de nuevos robots submarinos.

Aunque el investigador principal Aaron M. Olsen de la Universidad de Brown en Providence, Rhode Island, comenzó la investigación simplemente para comprender mejor cómo funcionan los peces, terminó descubriendo paralelismos entre cómo capturan y manipulan a sus presas los peces y cómo los humanos o incluso los sistemas robóticos recogen y manipulan objetos.

"Los peces no tienen manos o brazos como nosotros para agarrar presas. Y bajo el agua sus presas pueden girar y moverse libremente en tres dimensiones, o incluso alejarse nadando. Incluso cuando los peces capturan una presa, todavía tienen que moverla y reorientarla dentro de su boca, al igual que hacemos con nuestra lengua. Pero los peces también carecen de lengua flexible. Es increíblemente desafiante", dice Olsen.

"Lo más cerca que ha estado la mayoría de la gente de experimentar de primera mano lo que es comer como un pez es probablemente el meneo de una manzana", bromeó Olsen.

Para entender cómo los peces superan este desafío, Olsen y sus coautores, Patricia L. Hernandez de la Universidad George Washington y Elizabeth L. Brainerd también de la Universidad Brown estudiaron el bagre de canal o pez gato americano (Ictalurus punctatus), la especie de bagre más comúnmente capturada en los EE. UU. Olsen y sus coautores utilizaron un tipo de captura de movimiento de rayos X llamada X-ray Reconstruction of Moving Morphology (XROMM) para filmar el bagre de canal mientras capturaba y tragaba alimentos.

Esta tecnología les da a los investigadores algo parecido a la visión de rayos X, lo que les permite ver el interior del pez mientras come. Y hay mucho que ver: mientras que los cráneos humanos tienen solo una mandíbula móvil, los peces tienen más de una docena de huesos móviles, que se unen para formar lo que los ingenieros llaman una ligadura o mecanismo, una serie de enlaces rígidos conectados por juntas flexibles.

Los investigadores encontraron que el cráneo del bagre de canal, y probablemente muchas otras especies de peces, funciona como un mecanismo de 17 enlaces no identificado previamente en sistemas biomecánicos o diseñados por humanos. "Sabíamos anteriormente que los peces tienen múltiples ligaduras de cuatro e incluso seis barras en el cráneo", dice Olsen, "pero no habíamos descubierto cómo se conectan y funcionan juntas estas ligaduras. Con este estudio, ahora tenemos la representación más completa hasta la fecha de cómo funciona mecánicamente un cráneo de pez.

huesos del cráneo del bagre canal

Los mecanismos de 17 enlaces, que recuerdan a un dispositivo mecánico complejo, permiten que la boca se mueva de varias formas diferentes para manejar el movimiento del agua y la presa capturada. Esto incluye abrir la parte delantera de la boca o los labios, expandir la porción media de la boca horizontalmente, expandir la garganta verticalmente y ensanchar las branquias hacia arriba o hacia afuera.

Los autores encontraron que este mecanismo producía al menos tres tipos diferentes de "olas" de líquido dentro de la boca: una ola de adelante hacia atrás para atraer a la presa, una ola de atrás hacia adelante que empuja a la presa hacia adelante, y lo que ellos llaman una ola de compresión que puede funcionar para posicionar a la presa con mayor precisión dentro de la boca.

Lo que quizás sorprende a la mayoría de la gente es que la boca del pez no es un simple mecanismo de apertura y cierre. Puede moverse de muchas formas diferentes", comentó Olsen.

"Pero lo que también es sorprendente es que, aunque los peces tienen todas estas partes móviles, en realidad solo mueven la boca en aproximadamente siete formas diferentes para capturar y tragar alimentos. La boca de pez es más análoga a nuestro brazo que a nuestra boca. Podemos mover cada uno de nuestros brazos en aproximadamente siete formas diferentes para alcanzar y agarrar objetos en nuestro entorno. A pesar de verse muy diferentes, tanto la boca de pez como un brazo humano siguen este principio fundamental de que si quieres manipular un objeto tienes que poder moverte de muchas formas diferentes".

anatomía del bagre de canal

Imagen: Anatomía del bagre de canal

Olsen cree que sus hallazgos podrían inspirar mejoras en el diseño de robots que capturan y manipulan objetos bajo el agua, parte de un campo en constante crecimiento llamado diseño bioinspirado.

"Es muy difícil diseñar un robot que pueda manipular objetos flotantes bajo el agua. Los vehículos autónomos submarinos pueden tener un brazo robótico, como nuestro propio brazo, que funciona bien para manipular elementos más pesados, pero no podría agarrar o aplastar un elemento flotante. Y pueden tener un dispositivo de succión que puede succionar o expulsar elementos flotantes, pero no puede moverlos ni rotarlos con alta precisión. Diseñar algo más parecido en estructura a la boca de un pez podría tener una ventaja. Los peces han tenido cientos de millones de años para desarrollar todo tipo de soluciones para este tipo de desafío; creo que todavía tenemos mucho que aprender de ellos".

Para obtener más información sobre cómo la X-ray Reconstruction of Moving Morphology (XROMM) nos brinda una vista sin precedentes del interior de los animales en movimiento, visita xromm.org.

La investigación se publicó en Integrative Organismal Biology: Multiple Degrees of Freedom in the Fish Skull and Their Relation to Hydraulic Transport of Prey in Channel Catfish

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