Amonites robóticos recrean los movimientos de antiguos animales

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Amonites robóticos
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Los amonites fueron animales marinos que precedieron y fueron contemporáneos de los dinosaurios

En una piscina universitaria, los científicos y sus cámaras subacuáticas observan atentamente cómo se libera un caparazón enrollado de un par de pinzas de metal. El caparazón comienza a moverse por sus propios medios, dando a los investigadores una idea de cómo podrían haber sido los océanos hace millones de años cuando estaban llenos de estos omnipresentes animales.

Esto no es Jurassic Park, pero es un esfuerzo por aprender sobre la vida antigua al recrearla. En este caso, las recreaciones son robots impresos en 3D diseñados para reproducir la forma y el movimiento de los amonites, animales marinos que precedieron y fueron contemporáneos de los dinosaurios.

Los amonites robóticos permitieron a los investigadores explorar preguntas sobre cómo afectaban la capacidad de nadar las formas de las conchas. Encontraron compensaciones entre la estabilidad en el agua y la maniobrabilidad, lo que sugiere que la evolución de las conchas de los amonites exploraron diferentes diseños para obtener diferentes ventajas en lugar de converger hacia un mejor diseño único.

"Estos resultados reiteran que no existe una única forma óptima de concha", dice David Peterman, becario postdoctoral en el Departamento de Geología y Geofísica de la Universidad de Utah.

Vídeo: Una "carrera" experimental de un amonite robótico. Esta es la forma redonda de sphaerocone, con puntos de seguimiento para monitorear el movimiento en tres dimensiones. Crédito: David Peterman/Universidad de Utah

Dando vida a las amonites

Durante años, Peterman y Kathleen Ritterbush, profesora asistente de geología y geofísica, han estado explorando la hidrodinámica, o la física del movimiento a través del agua, de los antiguos cefalópodos con concha, incluidos los amonites. Los cefalópodos de hoy incluyen pulpos y calamares, y solo un grupo luce una concha externa: los nautilos.

Antes de la era actual, los cefalópodos con concha estaban por todas partes. Aunque sus rígidas conchas enrolladas habrían afectado su libre movimiento a través del agua, tuvieron un fenomenal éxito evolutivo, persistiendo durante cientos de millones de años y sobreviviendo a cada extinción masiva.

"Estas propiedades los convierten en excelentes herramientas para estudiar la biomecánica evolutiva", dice Peterman, "la historia de cómo los moluscos bentónicos (que habitan en el fondo) se convirtieron en uno de los grupos más complejos y móviles de invertebrados marinos. Mi objetivo de investigación más amplio es proporcionar una mejor comprensión de estos enigmáticos animales, sus funciones en el ecosistema y los procesos evolutivos que les han dado forma".

Peterman y Ritterbush construyeron previamente modelos ponderados en 3D de tamaño real de conchas de cefalópodos en forma de cono y descubrieron, al liberarlos en estanques, que los antiguos animales probablemente vivían una vida vertical, subiendo y bajando a través de la columna de agua para encontrar comida. Los movimientos de estos modelos se regían únicamente por la flotabilidad y la hidrodinámica de la concha.

Pero Peterman siempre ha querido construir modelos más parecidos a los animales vivos.

"He querido construir robots desde que desarrollé las primeras técnicas para replicar las propiedades hidrostáticas en modelos físicos, y Kathleen también me animó mucho", dice Peterman. "La propulsión a bordo nos permite explorar nuevas preguntas sobre las limitaciones físicas en los hábitos de vida de estos animales".

La flotabilidad se convirtió en el principal desafío de Peterman. Necesitaba que los modelos tuvieran una flotabilidad neutra, ni flotando ni hundiéndose. También necesitaba que los modelos fueran herméticos, tanto para proteger los componentes electrónicos del interior como para evitar que las fugas de agua cambiaran el delicado equilibrio de flotabilidad.

Pero el trabajo extra vale la pena. "Se pueden investigar nuevas preguntas utilizando estas técnicas", dice Peterman, "incluidas las complejas dinámicas de chorro, la eficiencia de navegación y la maniobrabilidad 3D de formas de conchas particulares".

diseño de amonites robóticos

Imagen: Diseño de robot cefalópodo biomimético

Tres tipos de conchas

Los investigadores probaron amonites robóticos con tres formas de concha. Se basaron parcialmente en el caparazón de un moderno Nautilus y se modifican para representar la gama de formas de concha de los antiguos amonites. El modelo llamado serpenticone tenía apretados verticilos y una concha estrecha, mientras que el modelo sphaerocone tenía pocos verticilos gruesos y una concha ancha, casi esférica. El tercer modelo, el oxicono, estaba en algún lugar en el medio: gruesos verticilos y una concha estrecha y aerodinámica. Puedes pensar en ellos ocupando un diagrama triangular, representando "miembros finales" de diferentes características de concha.

"Cada cefalópodo planispiral que ha existido alguna vez se ubica en algún lugar de este diagrama", dice Peterman, lo que permite estimar las propiedades de las formas intermedias.

Una vez que se construyeron, montaron y pesaron los modelos impresos en 3D, llegó el momento de ir a la piscina. Trabajando primero en el grupo de la profesora de Geología y Geofísica Brenda Bowen y luego en la Laguna Carmesí de la U, Peterman y Ritterbush instalaron cámaras y luces bajo el agua y liberaron los amonites robóticos, rastreando su posición en el espacio 3D a lo largo de una docena de "carreras" para cada tipo de concha.

Sin forma de concha perfecta

Al analizar los datos de los experimentos de la piscina, los investigadores buscaban los pros y los contras asociados con cada característica de la concha.

"Esperábamos que hubiera varias ventajas y consecuencias para cualquier forma en particular", dice Peterman. "La evolución les otorgó un modo de locomoción muy singular después de liberarlos del lecho marino con una concha llena de gas con cámara. Estos animales son esencialmente submarinos de cuerpo rígido propulsados ​​por chorros de agua". Esa concha no es muy buena para la velocidad o la maniobrabilidad, dice, pero los cefalópodos de concha enrollada aún lograron una notable diversidad a través de cada extinción masiva.

"A lo largo de su evolución, los cefalópodos con concha externa superaron sus limitaciones físicas experimentando sin cesar con variaciones en la forma de sus conchas enrolladas", dice Peterman.

Entonces, ¿Qué forma de concha fue la mejor?

"La idea de que una forma es mejor que otra no tiene sentido sin hacer la pregunta: '¿Mejor en qué?'", dice Peterman. Las conchas más estrechas disfrutaron de menos resistencia y más estabilidad mientras viajaban en una dirección, mejorando su eficiencia de lanzamiento. Pero las conchas más anchas y esféricas podrían cambiar de dirección más fácilmente, girando sobre un eje. Esta maniobrabilidad puede haberlos ayudado a atrapar presas o evitar depredadores lentos (como otros cefalópodos con concha).

Peterman señala que algunas interpretaciones consideran que muchas conchas de amonites son hidrodinámicamente "inferiores" a otras, lo que limita demasiado su movimiento.

"Nuestros experimentos, junto con el trabajo de colegas en nuestro laboratorio, demuestran que los diseños de conchas tradicionalmente interpretadas como hidrodinámicamente 'inferiores' pueden haber tenido algunas desventajas, pero no son derivadores inmóviles", dice Peterman. "Para los cefalópodos con conchas externas, la velocidad ciertamente no es la única medida de rendimiento". Casi todas las variaciones en el diseño de la concha aparecen iterativamente en algún punto del registro fósil, dice, lo que demuestra que las diferentes formas otorgan diferentes ventajas.

"La selección natural es un proceso dinámico, que cambia a lo largo del tiempo e implica numerosas compensaciones funcionales y otras limitaciones", dice, "Los cefalópodos con concha externa son objetivos perfectos para estudiar estas complejas dinámicas debido a su enorme rango temporal, importancia ecológica, abundancia y altas tasas evolutivas".

El estudio se publica en Scientific Reports: Resurrecting extinct cephalopods with biomimetic robots to explore hydrodynamic stability, maneuverability, and physical constraints on life habits

Imagen de cabecera: Esquemas de cuatro diseños diferentes de amonites robóticos, utilizados para explorar los efectos de la forma de la concha en la capacidad de nadar. Crédito: David Peterman/Universidad de Utah

Etiquetas: AmoniteRobótico

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