Innovación

Medusas vivas mejoran propulsión por innovador dispositivo microelectrónico

Medusas vivas mejoran propulsión por innovador dispositivo microelectrónico - Rixipix Getty Images/iStockphoto, iStockphoto

La robótica aplicada en el campo animal tiene la finalidad de optimizar el rendimiento energético motriz en los seres vivos 

Por La Verdad

15/02/2020 10:01

Los investigadores en materiales robóticos tienen como objetivo controlar artificialmente la locomoción animal para abordar los desafíos existentes para los requisitos de actuación, control y potencia en la robótica suave.

Medusa, su anatomía y dispositivo

En un nuevo informe en Science Advances, Nicole W. Xu y John O. Dabiri, de los departamentos de bioingeniería, ingeniería civil y ambiental e ingeniería mecánica de la Universidad de Stanford, presentaron un robot biohíbrido que utiliza microelectrónica implantada para inducir la natación en medusas vivas.

El robot biohíbrido usó de 10 a 1000 veces menos energía externa por masa que con los robots acuáticos previamente informados, la capacidad puede mejorar el alcance del rendimiento de los robots biohíbridos en relación con el rendimiento natural.

Medusas con implantes electrónicos

Las medusas son un organismo modelo convincente para formar vehículos submarinos de bajo consumo debido a su bajo costo de transporte, mientras los robots biomiméticos existentes con forma de animales nadadores, los cuales están completamente construidos con ingeniería y pueden alcanzar velocidades comparables a las de los animales naturales, pero con órdenes de magnitud menos eficientes que las medusas

El equipo planteó la hipótesis de que aumentar las frecuencias de contracción de la campana de las medusas podría aumentar las velocidades de natación hasta un límite. Por lo tanto, controlaron externamente la frecuencia de los pulsos en animales que nadan libremente midiendo la velocidad de natación y la ingesta de oxígeno para calcular el costo de transporte y probar su hipótesis de trabajo.

Xu y col. seleccionó a Aurelia aurita como organismo modelo; Una especie de medusa achatada que contiene una campana mesogleal flexible y una monocapa de músculos coronal y radial que recubren la superficie subumbrelar.

Para nadar, los organismos contrajeron músculos que disminuyen el volumen de la cavidad subumbrelar y expulsan agua para proporcionar una fuerza motriz junto con contribuciones adicionales de la recaptura de energía pasiva y la propulsión basada en succión, para iniciar estas contracciones musculares, la medusa activó cualquiera de sus marcapasos ligeros ubicados en los órganos sensores conocidos como rhopaliaa ubicados lo largo del margen de la campana.

Estos grupos de nervios activaron toda la red nerviosa motora para causar propagaciones de ondas musculares bidireccionales que se originaron a partir de los marcapasos activados durante la propagación natural dentro de la medusa.

Medición del costo de transporte

Los científicos primero diseñaron un controlador de natación microelectrónico portátil e independiente para generar una onda de pulso cuadrado y estimular las contracciones musculares en la medusa de 0.25 Hz a 1.00 Hz., compusieron el controlador con un mini procesador TinyLilyy una celda de polímero de litio de 10 mAh.

Robot biohíbrido más eficiente

Para confirmar visualmente la señal eléctrica, Xu et al conectó los cables en serie a los diodos emisores de luz (LED) TinyLily, luego se insertaron electrodos bilateralmente en el tejido subumbrellar de la medusa y mantuvieron el sistema naturalmente flotante con arandelas de acero inoxidable y corcho.

Descubrieron que el comportamiento natural de los animales (o la contracción endógena) era irregular con una alta variabilidad de la frecuencia del pulso, incluida una frecuencia media máxima de 0,16 Hz. Un electrodo inactivo no cambió significativamente los espectros de frecuencia, mientras que las contracciones impulsadas externamente mostraron un límite fisiológico de las contracciones musculares de medusa entre 1.4 Hz y 1.5 Hz.

El equipo realizó pruebas de natación con el sistema implantado en un tanque de agua salada y normalizó las velocidades de natación medidas de la medusa para tener en cuenta la variación en el tamaño de los animales. Escalaron la velocidad de natación normalizada por la media de la velocidad normalizada en ausencia de estimulación (es decir, 0 Hz) para determinar el factor de mejora.

Consumo de oxígeno

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El factor de mejoramiento máximo fue hasta 2.8 veces la velocidad de nado natural de los animales, es decir, la velocidad de nado en la medusa mejoró hasta 2.8 veces usando microelectrónica a bordo.

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