Un equipo de ingenieros y biólogos marinos construyó una mejor ventosa inspirada en el mecanismo que permite que el pez se adhiera a superficies lisas y rugosas. como rocas en el área donde la marea va y viene.

Los investigadores realizaron ingeniería inversa del disco de succión del pez aferrado y desarrollaron dispositivos que se adhieren bien a objetos húmedos y secos tanto en el agua como fuera del agua. Los dispositivos pueden soportar hasta cientos de veces su propio peso. Podrían utilizarse en una amplia gama de aplicaciones, desde manipulación y envasado de productos, a las pinzas robóticas en la fabricación, a la recuperación de artefactos arqueológicos.

El equipo de la Universidad de California en San Diego presenta sus hallazgos en un número reciente de la revista. Bioinspiración y biomimética .

El objetivo general del proyecto era desarrollar una nueva tecnología capaz de proporcionar un agarre delicado para manipular objetos frágiles. El estudio destaca la importancia de la biomimetismo, lo que permite a los científicos de distintas disciplinas, desde la ingeniería hasta la biología, trabajar juntos e inspirarse en la naturaleza para desarrollar nuevas tecnologías.

"Siempre me ha fascinado la naturaleza, y específicamente los diseños intrincados y absolutamente fascinantes que han evolucionado y que pueden hacer lo que la tecnología moderna no puede, "dijo Jessica Sandoval, un doctorado estudiante de la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego y autor principal del estudio. "Esta fue una oportunidad perfecta para estudiar el mecanismo de adhesión en estos peces adherentes y abordar cómo se puede mejorar la tecnología detrás de la adhesión de las ventosas".

Mejorando las ventosas mediante biomimetismo

Los pececillos son peces pequeños muy extendidos en las regiones tropicales y templadas. Son comunes en áreas intermareales, donde utilizan su poderosa capacidad de succión para adherirse a las rocas, algas, y pastos marinos. Pueden permanecer pegados a estas superficies incluso en corrientes poderosas y cuando son golpeados por las olas. El pez cling utilizado en este estudio era una especie nativa de la costa oeste, y fueron recogidos en San Diego.

Al estudiar los peces que recolectaron, Sandoval y sus colegas encontraron que el secreto que imita el mecanismo de sujeción que usa el animal era incorporar una capa suave y ranuras en las ventosas artificiales. El disco de succión del pez cling está revestido con filas de estructuras hexagonales, llamado papilas, que están cubiertos de fibras microscópicas. Los investigadores imitaron esto dentro de sus prototipos con una capa suave hecha de silicona. Esa capa mejoró drásticamente el rendimiento adhesivo en superficies rugosas. El equipo también incorporó ranuras en la cámara de la ventosa, que asegura una mejor adherencia a irregular, superficies cóncavas.

"Cuando hablé por primera vez con mis colegas ingenieros, Estaba seguro de que el truco para optimizar la ventosa vendría de la biología, "dijo el coautor del estudio Dimitri Deheyn, investigador en biología marina y biomimetismo en la Institución de Oceanografía Scripps en UC San Diego. "También estaba seguro de que una mejor ventosa combinaría una arquitectura de diseño única y un diseño 3D, mecanismo versátil de algún tipo ".

Rendimiento de la ventosa

Los discos de succión artificiales que desarrollaron los investigadores pudieron adherirse a superficies rugosas, como papel de lija grueso, y a superficies muy variables, de rocas a verduras, tanto dentro como fuera del agua. Los investigadores también demostraron que sus dispositivos podían recoger todo, desde cerezas y fresas sin romperlas. para elaborar caracolas y jarrones.

"Muchos dispositivos adhesivos se adhieren bien solo a una superficie seca o húmeda y tienen dificultades con las superficies rugosas, "dijo el coautor del estudio Mike Tolley, experto en robótica y profesor de la Escuela de Ingeniería Jacobs en UC San Diego. "Nuestros dispositivos pueden hacerlo todo".

Los dispositivos pueden sujetar un objeto pesado durante más de seis horas, que los investigadores creen que podría extenderse a períodos de tiempo más largos. Además, Estos discos de succión inspirados en los peces clingfish tienen un agarre impresionante dado su tamaño:un disco de succión puede soportar hasta 350 veces su propio peso mientras está suspendido en el aire.

Los investigadores incluso equiparon el brazo de un vehículo operado a distancia (ROV) con uno de sus dispositivos y demostraron que podía manipular un huevo crudo sin romperlo.

"Esta aplicación específica de ROV es de especial interés para mí, "dijo Sandoval, que es piloto de ROV de aguas profundas además de ser un Ph.D. estudiante. "Al pilotar ROV, Utilizo manipuladores submarinos para recuperar muestras delicadas del fondo marino. A menudo desearía tener una herramienta para un agarre delicado que complementara el poderoso agarre de las mandíbulas metálicas del manipulador. Mi trabajo en las profundidades del mar fue una verdadera motivación detrás de mirar a la naturaleza en busca de inspiración para la adhesión ".

Experimentos y análisis

Los pececillos fueron recolectados en los charcos de marea al norte del muelle Ellen Browning Scripps. Parte de la Reserva Marina Costera Scripps, Los científicos de UC San Diego pueden adquirir licencias para recolectar organismos con fines científicos de esta área. convirtiéndolo en un activo único para la universidad.

Mientras construye discos de succión inspirados en el pez El equipo también experimentó imitando las fibras microscópicas del pez clingfish recubriendo la huella del disco de succión artificial con una capa de pilares microscópicos hechos de silicona. Curiosamente, descubrieron que los diseños más simples que consistían en solo una capa gruesa de silicona funcionaban mejor que los diseños con pilares microscópicos.

El equipo interdisciplinario analizó el rendimiento de los discos de succión artificiales inspirados en peces aferrados. Los investigadores caracterizaron el contacto superficial de la huella de los discos para ver cómo interactúan con una superficie. Intentaron comprender la energía subyacente mediante el uso del análisis de elementos finitos para modelar el proceso de deformación de los discos de succión. También realizaron pruebas de resistencia adhesiva en diferentes curvaturas superficiales y diferentes rugosidades superficiales, desde acrílico liso hasta papel de lija grueso. Probaron la cantidad de fuerza necesaria para sujetar el disco a una superficie, dependiendo de la rugosidad de la superficie. Descubrieron que se necesitaba muy poca fuerza para sujetar los discos a una superficie, lo que explica la capacidad de los dispositivos para manipular objetos delicados.