Las rayas se ajustan entre la ondulación y la oscilación para nadar cerca del fondo
Utilizando aletas robóticas, investigadores de la Universidad de California en Riverside (UCR) han descubierto cómo las rayas nadan con un impresionante control. Estos descubrimientos podrían ayudar a los vehículos submarinos a evitar desastrosas colisiones contra el fondo.
En la naturaleza, las rayas se dividen en dos grandes grupos: pelágicas, como las mantarrayas, que se elevan a gran altura sobre el fondo del océano; y bentónicas, como las rayas, que nadan cerca del lecho marino. Su estilo de natación refleja su hábitat. Las rayas pelágicas baten sus aletas con un movimiento suave, similar al de las aves. Las rayas bentónicas ondulan con el movimiento de las olas.
Yuanhang Zhu, profesor adjunto de ingeniería mecánica en la UCR, sospechaba que estas distinciones no eran solo estéticas. Él y sus colegas creían que las variaciones estaban relacionadas con la estabilidad al nadar y, por extensión, con la supervivencia.
Para explorar esto, Zhu y sus colaboradores construyeron una aleta robótica que imita el movimiento de las rayas. La probaron en un gran túnel de agua que simulaba el flujo oceánico, midiendo cómo los diferentes movimientos de natación afectan la sustentación, que es la fuerza que ayuda al pez a mantenerse nivelado o lo atrae hacia el fondo marino.
Lo que descubrieron los investigadores los sorprendió. Cerca del lecho marino, las rayas experimentaban una sustentación negativa; es decir, eran succionadas hacia abajo. Este efecto es el opuesto al que experimentan las aves cuando vuelan de forma constante cerca del suelo.
Los investigadores creen que esa diferencia se debe a la forma dinámica en que las rayas oscilan sus aletas, un fenómeno que describen como "efecto de suelo inestable".
Las aves y los aviones mantienen sus alas firmes y se benefician de un colchón de aire debajo. Las rayas, en cambio, mueven constantemente sus aletas, lo que altera la física.
"Existen muchas razones por las que las rayas podrían nadar de forma diferente cerca del fondo marino, que no están relacionadas con la sustentación ni el empuje, por lo que no estábamos seguros de si mediríamos alguna diferencia entre los estilos de natación", afirmó Daniel Quinn, coautor del artículo y profesor asociado de ingeniería mecánica en la Universidad de Virginia. "Pero los resultados fueron sorprendentes".
Imagen: Diferentes estilos de movimiento de las aletas de las rayas. Crédito: Yuanhang Zhu / UCR
"Esto no era lo que esperábamos", dijo Zhu. "En lugar de obtener mayor sustentación cerca del suelo, las rayas fueron atraídas hacia abajo. Pero la naturaleza parece haber resuelto el problema".
De hecho, las rayas reales nadan con una ligera inclinación hacia arriba. Cuando los investigadores ajustaron el ángulo de la aleta del robot unos pocos grados, desapareció la sustentación negativa.
"Es un pequeño cambio con un gran efecto", dijo Zhu.
El equipo también descubrió que las rayas que utilizan movimientos de natación ondulatorios, similares a las olas, tenían una mejor distancia al suelo que aquellas con movimientos puramente oscilatorios y de aleteo, lo que refleja la forma en que las rayas bentónicas navegan por espacios reducidos en el fondo marino. En una simulación, cuando el nadador robótico fue liberado cerca del fondo del túnel, aquellos que utilizaban movimientos ondulatorios se mantuvieron nivelados por más tiempo, mientras que los nadadores oscilatorios se estrellaron contra el suelo más rápido.
Estos hallazgos sugieren que los diferentes estilos de natación de las rayas son estrategias evolutivas para mantener la estabilidad en sus respectivos entornos.
Zhu imagina un futuro donde los robots de inspiración biológica puedan alternar entre diferentes estilos de natación. Un robot podría planear como una mantarraya en aguas abiertas y luego adoptar las ondulaciones de una raya al acercarse al fondo del océano; cambios que facilitarían la exploración marina, la vigilancia o el monitoreo ambiental.
Vídeo: Aletas robóticas utilizadas para estudiar el movimiento de las rayas en el laboratorio de Zhu. (Yuanhang Zhu/UCR)
Es fundamental que imitar la capacidad de las rayas de mantenerse niveladas a bajas altitudes pueda ayudar a los vehículos submarinos a evitar catastróficas colisiones con el fondo del océano. Un impacto imprevisto, incluso momentáneo, puede desactivar sensores, romper aletas o remover sedimentos que ciegan las cámaras a bordo. En misiones submarinas donde el sigilo es fundamental, mantenerse a pocos centímetros del lecho marino puede ser la diferencia entre el éxito y el fracaso.
"Los resultados de este proyecto nos ayudan a pensar por qué las rayas bentónicas pueden nadar de manera diferente, y también pueden guiar el diseño de robots inspirados en las rayas que podrían usarse para, por ejemplo, mapear el fondo del océano", dijo Quinn.
Para este proyecto, Zhu también colaboró con investigadores de la Universidad de Lehigh y la Universidad Estatal de Iowa. En términos más generales, el laboratorio de Zhu estudia la propulsión inspirada en la biología.
"Normalmente, los robots artificiales no pueden nadar en medio del océano y maniobrar fácilmente cerca del suelo", dijo Zhu. "Pero, al observar cómo las rayas se ajustan entre la ondulación y la oscilación, ahora entendemos cómo es posible".
La investigación se publicó en la revista Journal of The Royal Society Interface: Wavenumber affects the lift of ray-inspired fins near a substrate
