Cuando se trata de cosas ultrarrápidas y ligeras, los robots no pueden compararse con los insectos que saltan más rápido y otras criaturas pequeñas pero poderosas.

Una nueva investigación podría ayudar a explicar por qué la naturaleza sigue ganando a los robots, y describe cómo las máquinas pueden tomar la iniciativa.

Toma el camarón mantis aplastante, un pequeño crustáceo no mucho más grande que un pulgar. Sus piezas bucales en forma de martillo pueden dar golpes repetidamente a 69 millas por hora más de 100 veces más rápido que un abrir y cerrar de ojos para romper las duras conchas de los caracoles.

O la humilde hormiga de la mandíbula trampa:en un enfrentamiento de cero a 60, incluso el dragster más rápido tendría pocas posibilidades contra sus mandíbulas rotas, que alcanzan velocidades de más de 140 millas por hora en menos de un milisegundo para atrapar a sus presas.

Una de las aceleraciones más rápidas conocidas en la Tierra es la picadura de la hidra. Estas criaturas acuáticas de cuerpo blando se defienden con la ayuda de cápsulas a lo largo de sus tentáculos que actúan como globos presurizados. Cuando se activa, disparan una andanada de microscópicas lanzas venenosas que se aceleran brevemente 100 veces más rápido que una bala.

En un estudio que aparecerá el 27 de abril en la revista Ciencias , Los investigadores describen un nuevo modelo matemático que podría ayudar a explicar cómo estos y otros organismos diminutos generan sus poderosos ataques, muerde, saltos y puñetazos. El modelo también podría sugerir formas de diseñar pequeños, Robots inspirados en la naturaleza que se acercan más a sus homólogos biológicos en términos de potencia o velocidad.

El secreto de los movimientos explosivos de estos organismos no son los músculos poderosos, sino más bien partes cargadas por resorte que pueden amartillarse y soltarse como el arco de un arquero, dijo Sheila Patek, profesor asociado de biología en la Universidad de Duke.

Tendones resistentes pero flexibles, las cutículas y otras estructuras elásticas se estiran y sueltan como tirachinas, potenciando sus saltos y chasquidos.

Un insecto de patas cortas llamado Froghopper, por ejemplo, tiene una estructura en forma de arco llamada arco pleural que actúa como un resorte. Las protuberancias en forma de pestillo en sus piernas controlan su liberación, permitiéndoles saltar más de 100 veces la longitud de su cuerpo a pesar de sus piernas cortas. Una persona con tanto poder podría saltar casi dos campos de fútbol.

Sin embargo, no está claro cómo estos mecanismos funcionan juntos para mejorar el poder, dijo Mark Ilton, becario postdoctoral en la Universidad de Massachusetts Amherst.

Si bien los modelos matemáticos tradicionales de rendimiento tienen en cuenta las compensaciones físicas inherentes del músculo, que puede contraerse con fuerza, o rapido, pero no ambos:tampoco tienen en cuenta las compensaciones inherentes a los resortes y los mecanismos similares a pestillos. En otras palabras, nada puede ser más rápido, más fuerte, y más poderoso al mismo tiempo.

"Hasta ahora, estos otros componentes se han incluido en su mayoría en cajas negras, "Dijo Patek.

Los investigadores desarrollaron un modelo matemático de movimiento rápido a pequeña escala que incorpora restricciones en resortes y pestillos.

"Parte de nuestro objetivo era intentar desarrollar un modelo que sea igualmente generalizable a sistemas biológicos o de ingeniería, "dijo Manny Azizi, profesor asistente de ecología y biología evolutiva en la Universidad de California, Irvine, que estudia ranas saltarinas.

Primero, compilaron datos sobre el tamaño, las velocidades máximas y las aceleraciones de 104 especies de atletas de élite de plantas y animales. Compararon los datos con medidas similares para robots en miniatura inspirados en movimientos ultrarrápidos como desplegar lenguas de camaleón, chasqueando trampas para moscas de Venus e insectos saltadores.

Al incorporar las compensaciones de rendimiento de los resortes y cierres biológicos y sintéticos, Los investigadores esperan comprender mejor cómo variables como la masa del resorte, rigidez, La composición del material y la geometría del pestillo trabajan junto con los músculos o motores para influir en la potencia.

El modelo permite a los investigadores ingresar un conjunto de resortes, pestillo y parámetros musculares o motores y obtener detalles sobre la velocidad máxima teórica de un individuo, aceleración, y otros aspectos del rendimiento con un peso determinado.

El modelo tiene importantes implicaciones para los ingenieros. Sugiere que los robots aún no pueden superar a una pulga en parte porque es tan rápido, Los movimientos repetibles requieren que los componentes estén exquisitamente ajustados entre sí.

Pero el modelo brinda a los investigadores una herramienta para diseñar pequeños Robots de movimiento rápido con componentes emparejados con mayor precisión que funcionan mejor juntos para mejorar el rendimiento, dijo Sarah Bergbreiter, profesor asociado de ingeniería mecánica en la Universidad de Maryland que fabrica robots saltarines del tamaño de una hormiga.

"Si tiene un robot de tamaño particular que desea diseñar, por ejemplo, le permitiría explorar mejor qué tipo de resorte desea, que tipo de motor quieres, qué tipo de pestillo necesita para obtener el mejor rendimiento en esa escala de tamaño, y comprender las consecuencias de esas elecciones de diseño, "Dijo Bergbreiter.

Para los biólogos, el modelo también se puede utilizar para señalar los límites de peso superior e inferior de diferentes grupos de organismos accionados por resorte, variables dadas tales como de qué materiales elásticos están hechos sus cuerpos, Dijo Azizi.