Puede usarse en el futuro para el diseño de tecnologías adhesivas más efectivas y de menor costo
Los peces rémora son famosos autostopistas del mundo marino, ya que poseen discos de succión de alta potencia en la parte posterior de su cabeza para adherirse en forma de torpedos a anfitriones más grandes que pueden proporcionar alimentos y seguridad, desde ballenas y tiburones hasta barcos y buzos.
La clave para la adhesión de la rémora son las capacidades bien conocidas del disco para generar succión, así como la fricción creada por unos puntiagudos huesos dentro del disco llamados laminillas para mantener el agarre en su anfitrión. Sin embargo, los factores que impulsan la evolución de la morfología única del disco de la rémora han eludido durante mucho tiempo a los investigadores que buscan comprender, e incluso diseñar nuevos dispositivos y adhesivos que le imiten, la asombrosa capacidad del pez para adherirse a varios tipos de superficie sin dañar a su anfitrión o gastar mucha energía, a menudo durante horas a la vez bajo fuerzas oceánicas extremas.
En un estudio dirigido por el New Jersey Institute of Technology (NJIT), los investigadores mostraron un nuevo disco de rémora inspirado biológicamente capaz de replicar las fuerzas pasivas de succión y fricción que potencian la capacidad del pez, demostrando una retención de hasta un 60% más de lo que se ha medido en rémoras vivas unidas a la piel de tiburón.
Utilizando el modelo de disco para explorar los impulsores evolutivos del disco de la rémora, los investigadores dicen que los hallazgos del estudio proporcionan evidencia de que las actuales especies vivas de rémora han desarrollado una mayor cantidad de láminas a lo largo del tiempo para mejorar su poder de retención y la capacidad de unirse a una gama más amplia de anfitriones con superficies más lisas, lo que aumenta sus posibilidades de supervivencia.
El estudio, presentado en Bioinspiration and Biomimetics, indica que el modelo de disco puede usarse en el futuro para informar el diseño de tecnologías adhesivas más efectivas y de menor costo.
"La belleza detrás del mecanismo adhesivo de la rémora es que los tejidos biológicos hacen inherentemente la mayor parte del trabajo", dijo Brooke Flammang, profesora de ciencias biológicas en el NJIT que dirigió el estudio. "El aspecto más significativo de esta investigación es que nuestro disco robótico se basa completamente en la física fundamental que impulsa el mecanismo adhesivo en las rémoras, lo que nos permite determinar el rendimiento biológicamente relevante y obtener una idea de la evolución del disco de la rémora. Esto anteriormente no era posible con diseños anteriores que requerían un operador humano para controlar el sistema".
Divergiéndose de muchos de sus ancestros más cercanos parecidos a los carroñeros, como la cobia (Rachycentron canadum), se cree que el pez rémora (de la familia Echeneidae) comenzó a unirse a los hospedadores con superficies rugosas, similares a los tiburones, después de haber desarrollado su disco de succión de espinas de aleta dorsal hace casi 32 millones de años.
El disco de las rémoras vivas de hoy presenta un labio exterior blando y carnoso para la succión, mientras que el interior del disco alberga muchas más hileras lineales de tejido (láminas) con proyecciones de tejido en forma de diente (espínulas), que el pez levanta para generar fricción contralos cuerpos de varios anfitriones para evitar resbalones durante el autostop.
Según Flammang, si bien los científicos han arrojado algo de luz sobre los orígenes de la estructura de aleta modificada de la rémora, los aspectos fundamentales de la evolución del disco han permanecido poco claros.
"La evolución del disco de la rémora es en gran parte desconocida", dijo Flammang. "Hay una rémora fósil, Opisthomyzon, en el registro fósil que tiene un disco con menos láminas [que las rémoras de hoy] sin espinas hacia la parte posterior de la cabeza".
Flammang dice que esto plantea dos preguntas: "cómo" y "por qué".
"El 'cómo' proviene de la aleta dorsal, aunque no se conocen las etapas evolutivas intermedias", explicó Flammang. "Si miras una filogenia de las rémoras, muestra que las especies que se cree que son más derivadas tienen más laminillas... se supone que el 'por qué' es para el rendimiento adhesivo, pero eso nunca se probó antes de este documento".
Para obtener más información, Kaelyn Gamel, la primera autora del estudio y ex investigadora graduada en el laboratorio Flammang, diseñó un disco inspirado en la rémora a partir de materiales impresos en 3D disponibles en el mercado que podría mantener de forma autónoma la fijación a varias superficies y modificarse agregando y quitando laminillas, lo que permitió al equipo investigar el rendimiento del aumento del número de láminas en la adhesión.
"La capacidad de nuestro disco para agregar y eliminar laminillas mientras actúa como un sistema pasivo nos permitió cambiar la cantidad de fricción junto con la presión ambiental dentro del disco", dijo Gamel, ahora una Ph.D. investigadora de la Universidad de Akron. "Pudimos comparar la diferencia entre no fricción, algo de fricción y mucha fricción en función de la variación en el número de laminillas".
En colaboración con Austin Garner, un investigador de la Universidad de Akron, el equipo realizó bajo el agua pruebas de extracción con su disco modelo, experimentando con el número laminar del modelo (hasta 12 láminas) para medir la fuerza de corte y el tiempo que tardó en tirar el disco de moldes de silicio con superficies que van desde completamente lisas hasta aquellas que exceden la rugosidad de la piel de tiburón (grano 350, grano 180 y grano 100).
En general, el equipo descubrió que el rendimiento adhesivo de su disco estaba fuertemente correlacionado con un aumento en las láminas del disco, observando un "punto óptimo" en la potencia de succión entre nueve y 12 láminas. Cuando se modificó a 12 laminillas y 294 espínulas, el disco del equipo pesó solo 45 gramos y soportó 27 N (newton) de fuerza durante 50 segundos, casi tres veces la fuerza que típicamente sacaría una rémora de un tiburón. Las pruebas también revelaron que se necesitaban un mínimo de seis láminas, el número que se encontró casualmente en el fósil Opisthomyzon, de 32 millones de años, para mantener la adhesión.
"Lo más sorprendente de estos resultados es que para una forma de disco dado, hay un rango óptimo en el que los fenómenos de fricción y succión están equilibrados, y [a medida que se ha alargado el tamaño del disco] las rémoras han evolucionado para mantener este punto óptimo de adhesión de alto rendimiento", explicó Flammang.
El equipo dice ahora que su modelo de disco de la rémora se usará para futuros estudios evolutivos para saber si la succión o la fricción predominaban en el apego en los primeros ancestros de rémoras y cómo afecta la adhesión la evolución de la forma del disco. El disco también puede tener aplicaciones de ingeniería en todo, desde biosensores médicos y dispositivos de administración de medicamentos hasta etiquetas de detección geográfica para estudios ecológicos y seguimiento de la vida marina.
"Una de las mayores ventajas de nuestro diseño es que funciona de forma autónoma porque se basa únicamente en la física del sistema para su funcionamiento", dijo Flammang. "Esto lo hace fácilmente escalable para una multitud de nuevas tecnologías, tanto para fines médicos como científicos".
Artículo científico: Bioinspired remora adhesive disc offers insight into evolution
