Las patas del escarabajo perinola son una hélice parcial que gira en un ángulo
Los escarabajos molinetes o perinola (Gyrinidae), el insecto que nada más rápido del mundo, alcanzan sorprendentes velocidades empleando una estrategia compartida por veloces mamíferos marinos y aves acuáticas, según un nuevo estudio de la Universidad de Cornell que reescribe explicaciones anteriores sobre la física involucrada.
Los escarabajos de un centímetro de largo pueden alcanzar una aceleración máxima de 100 metros por segundo y una velocidad máxima de 100 longitudes de cuerpo por segundo (o un metro por segundo).
Los resultados no sólo explican las velocidades olímpicas de los molinetes, sino que también ofrecen valiosa información para los diseñadores bioinspirados de robots acuáticos cercanos a la superficie y embarcaciones sin tripulación.
Hasta ahora, los investigadores creían que los molinetes alcanzan sus impresionantes velocidades utilizando un sistema de propulsión llamado empuje basado en arrastre. Este tipo de empuje requiere que las patas del insecto se muevan más rápido que la velocidad de nado, para que las patas generen cualquier empuje. Para que el escarabajo perinola alcanzara velocidades de natación tan rápidas, sus patas tendrían que empujar el agua a velocidades poco realistas.
"Bien podría haber sido cuestionado", dijo Chris Roh, profesor asistente de ingeniería biológica y ambiental. "El nadador más rápido y el empuje basado en el arrastre no suelen ir juntos en la misma frase".
De hecho, los mamíferos marinos y las aves acuáticas que nadan rápidamente tienden a renunciar al empuje basado en la resistencia en favor del empuje basado en la sustentación, otro sistema de propulsión.
Utilizando dos cámaras de alta velocidad sincronizadas en diferentes ángulos, los investigadores pudieron filmar un perinola y observar en funcionamiento un mecanismo de empuje basado en elevación. El empuje basado en elevación funciona como una hélice, donde el movimiento de empuje es perpendicular a la superficie del agua, lo que elimina la resistencia y permite un impulso más eficiente capaz de alcanzar una mayor velocidad.
"En biología, es difícil rotar las cosas", dijo Roh. "Somos máquinas basadas en la contracción. Entonces, se podría decir que las patas del escarabajo perinola son una hélice parcial que gira en un ángulo y luego se retraen antes de reiniciarse y girar parcialmente nuevamente".
Junto con las velocidades de las patas y el cuerpo extraídas de dos observaciones de cámaras sincronizadas, Sun utilizó formulaciones aerodinámicas para calcular que un empuje basado en la sustentación representaba la mayor parte de la fuerza requerida para la rápida propulsión del perinola.
"No es tan diferente a que el ala de un avión se incline un poco", dijo Roh. "Ese ángulo de ataque le permite generar sustentación".
El empuje basado en la sustentación se ha identificado previamente en organismos de gran escala, como ballenas, delfines y leones marinos. "En este trabajo, ampliamos la escala de longitud hasta un centímetro, lo que significa que los escarabajos perinola son, con mucho, el organismo más pequeño que utiliza el empuje basado en la elevación para nadar", dijo Yukun Sun, estudiante de doctorado en el laboratorio de Roh y primer autor del artículo.
"Esperamos que esto hable con la robótica bioinspirada y otras comunidades de ingeniería para identificar primero la física correcta y luego tratar de preservar esa física al crear la robótica", dijo Roh.
La Marina de los EE. UU. ha estado desarrollando embarcaciones sin tripulación, ya que el diseño de los barcos tradicionales está limitado por la necesidad de hacer que los barcos sean acogedores para la tripulación. Al eliminar la tripulación, los barcos pueden ser mucho más pequeños y más flexibles. Roh cree que el pequeño tamaño, la forma de barco y el mecanismo de propulsión generador de sustentación de los molinetes se traducen bien en los diseños de barcos robóticos.
El hallazgo fue descrito en un estudio publicado el 8 de enero en la revista Current Biology: Whirligig beetle uses lift-based thrust for fastest insect swimming
