Lo que los físicos pueden aprender de los intestinos de tiburón

intestinos de tiburón
Las cuatro estructuras espirales del intestino de un tiburón: (a) columnar, (b) embudos apuntados hacia atrás, (c) embudos apuntados hacia delante y (d) voluta.

Los intestinos en forma de espiral de los tiburones favorecen el flujo de fluidos en una dirección

En 1920, el inventor Nikola Tesla patentó un tipo de tubería que llamó "conducto valvular", que fue construida para extraer fluido en una dirección sin partes móviles ni energía adicional, y tiene aplicaciones que van desde la robótica blanda hasta implantes médicos.

En 2021, los científicos descubrieron que los intestinos en forma de espiral de los tiburones funcionan de la misma manera, favoreciendo el flujo de fluidos en una dirección, desde la cabeza hasta la pelvis.

Ido Levin, físico en el laboratorio de Sarah Keller en la Universidad de Washington, se interesó en la física del flujo de fluidos a través de estas espirales de tiburón. Presentará cómo los modelos de impresión 3D de intestinos de tiburón les están ayudando a aprender cómo funcionan estas espirales el lunes 20 de febrero en la 67ª Reunión Anual de la Sociedad Biofísica en San Diego, California.

válvula de Tesla e intestino de tiburón

Imagen: Una válvula Tesla (a,b) produce un flujo unidireccional sin el uso de piezas mecánicas. Un intestino en espiral (c) parece tener una estructura similar.

Levin explicó que "los investigadores del estudio de 2021 conectaron un tubo a los intestinos del tiburón y pusieron agua con glicerina, un fluido muy viscoso, a través de estas tuberías. Y demostraron que si conecta estos intestinos en la misma dirección que un tracto digestivo, se obtiene un flujo de líquido más rápido que si se los conecta al revés".

"Pensamos que esto era muy interesante desde la perspectiva de la física... Uno de los teoremas de la física en realidad establece que si tomas una tubería y haces fluir un fluido muy lentamente a través de ella, tienes el mismo flujo si lo inviertes. Así que nos sorprendió mucho ver experimentos que contradicen la teoría. Pero luego recuerdas que los intestinos no están hechos de acero, están hechos de algo blando, así que mientras el fluido fluye a través de la tubería, la deforma".

Para estudiar la dinámica de fluidos a través de tuberías en espiral, Levin y Keller colaboraron con sus colegas del Grupo Nelson de la Universidad de Washington para crear estructuras blandas en 3D que imitan aspectos de los intestinos de los tiburones. "Hace 15 o 20 años, era imposible tratar de reconstruir estas formas en materiales hechos por el hombre", dijo Levin.

espirales 3DImagen derecha: Diferentes tipos de tiburones tienen intestinos con diferentes patrones en espiral que favorecen el flujo de fluidos en una dirección. Ido Levin y sus colegas están recreando esas formas usando una impresora 3D para estudiar el flujo de fluido único dentro de las espirales. Crédito: Ido Levin.

Cuando utilizaron un material rígido para imprimir las formas en 3D, no hubo diferencia en el flujo de fluido en una dirección u otra. Sin embargo, imprimir las formas usando un elastómero más blando condujo a un flujo de fluido más rápido en una dirección. Usando estas estructuras impresas en 3D, el equipo está estudiando cómo el radio, el paso y el grosor de la estructura interna impactan en el flujo del fluido.

Con los materiales más blandos, también pueden estudiar el acoplamiento entre el caudal y cómo se deforma la tubería. Comprender estos parámetros ayudará a diseñar estructuras similares que se pueden usar para cosas como la robótica blanda.

Hasta hace poco tiempo, los robots se fabricaban con materiales rígidos y bisagras. Pero el uso de materiales blandos que pueden deformarse de diferentes maneras, como lo hace un pulpo, abre todo un mundo de posibilidades, Levin explica: "Este es un paso adelante para tratar de comprender la mecánica básica de la interacción entre las membranas y el flujo". Un día, este sistema aparentemente simple podría controlar dispositivos industriales o médicos.

Conferencia: 67th Annual Biophysical Society Meeting
Artículo científico de 2021 en Royal Society B: Biological Sciences: Shark spiral intestines may operate as Tesla valves

Etiquetas: IntestinoTiburónEspiralVálvula Tesla

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