Las branquias de los peces poseen materiales blandos y móviles con una gran porosidad
La fascinación por las branquias de los peces ha llevado a investigadores de Cornell a desarrollar un enfoque bioinspirado para mezclar calor y moléculas en fluidos; hallazgos que podrían servir de base para futuros dispositivos biomédicos, intercambiadores de calor y robótica blanda.
La transferencia eficiente de calor y masa a través de líquidos en movimiento es fundamental para tecnologías que van desde máquinas de diálisis hasta sistemas de refrigeración industrial; sin embargo, muchas de esas tecnologías dependen de componentes rígidos para llevar a cabo su función.
En busca de una alternativa, Yicong Fu, estudiante de doctorado en ingeniería mecánica, recurrió a las branquias de los peces: un tejido blando y poroso que agita constantemente el agua para mantener el flujo de gases e iones.
En colaboración con Sunghwan "Sunny" Jung, profesor de ingeniería biológica y ambiental en la Facultad de Agricultura y Ciencias de la Vida, Fu diseñó un dispensador térmico con forma de branquia que está aportando nuevos conocimientos sobre las interacciones fluido-estructura.
"Durante mucho tiempo, los dispositivos fabricados por el hombre en este ámbito se han basado casi exclusivamente en la superficie total para mejorar su eficiencia", afirmó Fu, quien dirigió la investigación. "En cambio, los peces poseen materiales blandos y móviles con una gran porosidad. Quería aprender de estos animales para mejorar la eficiencia de los dispositivos de ingeniería".
Imagen: Yicong Fu, estudiante de doctorado en ingeniería mecánica, inyecta tinte en su dispensador térmico bioinspirado, diseñado a medida, para observar cómo se dispersan las partículas. Crédito: Charissa King-O’Brien/Universidad de Cornell
Para comprender mejor las funciones fisiológicas de los peces, Fu se puso en contacto con Casey Dillman, conservadora del Museo de Vertebrados de Cornell, quien le presentó una variedad de estructuras branquiales en diferentes especies.
El estudio de la diversidad de formas de las branquias y los mecanismos de captación de agua ayudó a Fu a relacionar la anatomía con un desafío persistente en la filtración de flujo laminar, donde el movimiento suave del fluido impide el tipo de mezcla turbulenta que, de otro modo, ayudaría a prevenir la obstrucción y la reducción de la eficiencia con el tiempo. Estos problemas son en gran parte responsables de la lentitud de la diálisis renal y de algunos sistemas de purificación de agua.
"Las branquias de los peces se enfrentan a desafíos de transporte muy similares", dijo Fu. "Pero en lugar de permanecer estáticas, se mueven de forma que el fluido se mantiene bien mezclado, permitiendo así que el intercambio continúe de manera eficiente".
Inspirándose en estos sistemas naturales, los investigadores desarrollaron un panel flexible y perforado que se inclina activamente en su borde delantero mientras el resto de la estructura se mueve pasivamente. Colocaron el panel dentro de un pequeño túnel de flujo acondicionado, curiosamente, en una pecera, y utilizaron cámaras de alta velocidad para observar cómo se dispersaban las partículas en la estela.
Los experimentos demostraron que los paneles móviles generan patrones de vórtice que difieren fundamentalmente de los producidos por los paneles tradicionales no perforados. A medida que aumentaba la flexibilidad, los investigadores observaron transiciones en el comportamiento de los vórtices que ayudaban a mantener una mezcla eficaz incluso cuando cambiaba la frecuencia del movimiento. Por el contrario, los paneles rígidos se volvían menos eficaces a medida que aumentaba el aporte de energía.
"Aunque parezca contraintuitivo, agitar más rápido con una estructura rígida en este tipo de escenario puede empeorar la mezcla", dijo Fu, "pero cuando se añade flexibilidad, el sistema se adapta cambiando su estructura de flujo y se resuelve el problema de la mezcla".
Para relacionar estos patrones de flujo con el transporte de calor, el equipo utilizó sus datos en simulaciones por ordenador que demostraron que sus paneles producían una temperatura de equilibrio promedio en el dominio superior, con un margen de entre el 37 % y el 94 %.
Más allá de las mejoras en el rendimiento, este trabajo proporciona una nueva perspectiva sobre una clase de interacciones fluido-estructura que, según Jung, deja margen para que los ingenieros exploren, especialmente en lo que respecta a alternativas a los "tamices sin salida" en los que las partículas obstruyen la superficie de una membrana.
"Cada enfoque tiene sus ventajas y desventajas", dijo Jung. "Los tejidos vivos pueden regenerarse, mientras que los componentes artificiales no, pero estos diseños biológicos sugieren que los ingenieros deberían considerar más las configuraciones de flujo cruzado e incorporar la flexibilidad que observamos en los sistemas biológicos".
La investigación ha sido publicada en la revista Physical Review Fluids: Vortex transition and thermal mixing by pitching a perforated flexible panel
