Las aletas del pez remo inspiran un tipo más silencioso de robot submarino
Cuando el roboticista Rob Shepherd comenzó a trabajar en un gran robot submarino destinado a nadar en silencio para no asustar a las criaturas marinas, buscó ideas de diseño en un lugar inesperado: el pez remo. Este pez de varios metros de longitud, rara vez visto por los humanos, se desplaza por el agua con una aleta dorsal similar a una cinta que ondula en olas. Shepherd sospechaba que ese sistema de propulsión impulsado por olas podría traducirse en principios de ingeniería para una máquina que se desliza en lugar de agitarse.
Para comprender mejor al pez, Shepherd contactó a Willy Bemis, un ictiólogo jubilado de Cornell. Bemis, profesor emérito de ecología y biología evolutiva en la Facultad de Agricultura y Ciencias de la Vida, recordó que Shepherd lo llamó expresando interés en el pez remo, y Bemis le dijo que el interés era mutuo. Ese breve intercambio inició una colaboración para investigar los inusuales radios de la aleta dorsal del pez remo.
Una anatomía construida para la propulsión por olas
Los peces remo son animales llamativos, con cuerpos en forma de cinta y una distribución global. Solo se reconocen dos especies, y habitan los océanos de todo el mundo a profundidades de hasta aproximadamente 1,000 pies (305 metros). Son enormes: se estima que los individuos más grandes alcanzan unos 8 metros, o casi 26 pies, lo que convierte al pez remo gigante en el pez óseo más largo vivo. Aun así, estos gigantes se alimentan de pequeños crustáceos en lugar de presas grandes.
Su aleta dorsal los distingue. Contiene cientos de estructuras esqueléticas similares a huesos llamadas radios de aleta que sobresalen del lomo del pez. Estos radios no solo endurecen la aleta; se mueven en una secuencia coordinada, creando olas a lo largo de la membrana que los une. Las olas viajeras empujan al pez hacia adelante. El resultado es una forma de propulsión suave y continua, bastante diferente de las colas oscilantes o los apéndices aleteantes que utilizan muchos otros peces.
- Dos especies reconocidas de pez remo se distribuyen por los océanos del mundo.
- Pueden vivir a profundidades de hasta unos 305 metros (1,000 pies).
- El pez remo gigante puede alcanzar alrededor de 8 metros de longitud, lo que lo convierte en el pez óseo más largo.
- Su dieta se compone de pequeños crustáceos.
- Cientos de radios de la aleta dorsal trabajan juntos para crear olas propulsoras.
Una primera mirada a los radios de aleta similares a un joystick
Un nuevo estudio publicado el 30 de septiembre en la revista Ichthyology and Herpetology proporciona la primera descripción de la anatomía y la serie de músculos que permiten a cada uno de los radios de la aleta del pez remo rotar de forma independiente en un círculo completo. El movimiento se ha comparado con un joystick, y le da al pez un control preciso y multidireccional sobre radios individuales, una capacidad que ayuda a explicar cómo la aleta puede generar olas tan complejas.
Bemis es el autor principal del artículo. Shepherd, el John F. Carr Professor of Mechanical Engineering en el Cornell Duffield College of Engineering, es coautor. Gabriel Afonso, un antiguo investigador visitante en el laboratorio de Bemis que ahora es estudiante de doctorado en el Virginia Institute of Marine Science, es el primer autor.
Control independiente a nivel de un solo radio
La capacidad de cada radio para girar en un círculo completo significa que la aleta no es una lámina pasiva. En cambio, es una matriz controlada activamente de cientos de elementos móviles. Al ajustar la orientación de radios individuales, el pez puede dar forma a la ola que viaja a lo largo de la membrana de la aleta, ajustando el empuje que produce. Para los ingenieros, ese tipo de control distribuido y detallado es atractivo: sugiere un sistema de propulsión que puede modularse sin grandes piezas móviles ruidosas.
Por qué los peces remo son tan difíciles de estudiar
Mucho sobre el pez remo sigue siendo un misterio, y la dificultad de estudiarlos es una razón importante. Cuando los peces mueren, sus cuerpos tienden a romperse en segmentos, por lo que los especímenes intactos son raros. Eso hace que el trabajo anatómico sea un desafío, y ayuda a explicar por qué preguntas básicas sobre sus radios de aleta quedaron sin respuesta durante tanto tiempo. El relato detallado del nuevo artículo sobre los músculos de los radios de la aleta llena, por lo tanto, una laguna notable.
El hábitat profundo de los animales añade otro obstáculo. Al vivir cientos de pies bajo la superficie, rara vez se observan vivos, y su tamaño y fragilidad complican los esfuerzos por recolectarlos o examinarlos. La colaboración entre un roboticista y un ictiólogo ofreció un camino a seguir: las preguntas de ingeniería sobre la propulsión destacaron características anatómicas que no se habían descrito completamente, mientras que la biología del pez proporcionó un modelo natural para el robot.
De pez de aguas profundas a diseño de ingeniería
El atractivo del pez remo para la robótica radica en su quietud. Un gran robot submarino que se mueve con olas viajeras a lo largo de una aleta flexible podría operar con menos movimientos abruptos y de alta energía, reduciendo la perturbación que crea. Eso importa para misiones en las que el objetivo es observar la vida marina sin alterar su comportamiento. Un vehículo que se desliza por el agua con un movimiento continuo y ondulante podría acercarse más a integrarse en el entorno que uno impulsado por hélices o perfiles oscilantes.
El pez remo también demuestra que tal sistema puede funcionar a gran escala. El cuerpo del pez puede alcanzar varios metros de longitud, y su aleta aún produce una propulsión efectiva mediante la acción coordinada de cientos de radios. Eso sugiere que el principio subyacente puede escalarse, lo cual es relevante para un robot descrito como grande.
Qué podría significar la investigación para la robótica marina
El estudio no presenta un robot terminado; establece la base anatómica que podría informar uno. Al documentar cómo cada radio de aleta está musculado y controlado, los investigadores dan a los ingenieros una plantilla de la que extraer ideas. Un vehículo futuro podría imitar los radios de la aleta con elementos accionados individualmente que rotan para generar una ola viajera. Tal diseño podría ofrecer tanto sigilo como maniobrabilidad, permitiendo a un robot mantenerse suspendido, girar o acelerar reconfigurando la ola en lugar de cambiar la velocidad de una hélice.
Todavía quedan cuestiones prácticas por abordar. Construir cientos de elementos de rotación independiente en un vehículo marino exigiría actuadores robustos y compactos y un sistema de control capaz de coordinarlos. El entorno oceánico es corrosivo e impredecible, y una membrana de aleta flexible debe soportar flexiones repetidas. Sin embargo, el sistema biológico muestra que estos desafíos son solucionables en principio: el pez remo lo ha estado haciendo durante millones de años.
Un organismo modelo para la propulsión silenciosa
La investigación también subraya el valor del trabajo interdisciplinario. Shepherd llevó un problema de ingeniería —cómo nadar en silencio a escala— a Bemis, quien aportó décadas de experiencia ictiológica. Su esfuerzo conjunto, con Afonso como primer autor, produjo una descripción de la anatomía de los radios de la aleta que había estado ausente. Es un recordatorio de que algunas de las ideas de diseño más útiles pueden estar escondidas en organismos que rara vez se ven y son difíciles de recolectar.
Por ahora, la aleta del pez remo sigue siendo tanto un enigma biológico como una inspiración de ingeniería. Mientras los roboticistas buscan formas de explorar el océano con mínima perturbación, la aleta en forma de cinta del pez y sus cientos de radios similares a joysticks ofrecen un modelo convincente, uno que eventualmente podría ayudar a grandes robots submarinos a nadar tan silenciosamente como los animales que están construidos para observar.
Este artículo se basa en reportajes de Phys.org. Lea el artículo original.
Originally published on phys.org
