Los entusiastas de la pizza saben bien que una simple curvatura en forma de U en la corteza puede evitar que una rebanada fina se caiga cuando se levanta de un plato. Un equipo de ingenieros de la Universidad de Brown ha demostrado que los peces pueden aprovechar aproximadamente la misma dinámica para endurecer sus aletas para nadar.

Utilizando un modelo matemático y la aleta pectoral de caballa como ejemplo ilustrativo, los investigadores muestran cómo se puede cambiar la rigidez de la aleta aplicando una curvatura en forma de U en la base de la aleta. El efecto, los investigadores dicen, podría ser la base de la capacidad de los peces para nadar a velocidades muy variables en todo tipo de corrientes con gran maniobrabilidad.

"Una forma de volverse más maniobrable es tener la capacidad de generar diferentes cantidades de fuerza en el agua cuando se agita una aleta, "dijo Shreyas Mandre, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería de Brown y coautor de la investigación. "Creemos que los peces modulan la curvatura en la base de la aleta para hacerla más rígida o más suave, que altera la fuerza que generan sobre el agua, lo que a su vez puede subyacer en parte de su maniobrabilidad ".

La investigación se realizó en colaboración con Khoi Nguyen y Madhusudhan Venkadesan de la Universidad de Yale. Ning Yu de UCLA y Mahesh M. Bandi del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa. Se describe en el Revista de la interfaz de la Royal Society .

El modelo matemático que desarrollaron Mandre y sus colegas se aplica a una gran clase de peces conocidos como Actinopterygii. Se trata de especies de peces con aletas en forma de abanico hechas de huesos largos y flexibles que se mantienen unidos por un tejido blando elástico.

Generalmente hablando, los investigadores dicen, se supone que la rigidez de estas aletas se calcula multiplicando la rigidez a la flexión de cada hueso por el número de huesos. Pero esa simple imagen ignora la interacción mecánica entre los huesos flexibles y la piel elástica, lo que podría producir mucha más rigidez de lo que sugeriría el modelo simple. Esa interacción también resulta ser el mecanismo a través del cual los peces cambian la rigidez de una aleta a través de la curvatura en la base.

Los investigadores analizaron micro-tomografías computarizadas de matrices óseas en aletas de caballa, que son ampliamente representativos de los peces con aletas radiadas. Demostraron que la forma de los huesos los hace doblarse más fácilmente en direcciones particulares, y que la dirección de flexión "preferida" de cada hueso está ligeramente desalineada con respecto a los huesos adyacentes. Según su modo matemático, Esta disposición significa que cuando se aplica una fuerza a través de una aleta, los huesos se doblan colectivamente de una manera que hace que se separen. Sin embargo, ese movimiento de extensión es resistido por el tejido elástico que une los huesos, y es esa resistencia la que endurece toda la aleta.

La forma en que esta arquitectura transmite las fuerzas es muy similar a la forma en que se transmiten las fuerzas en una rebanada de pizza que se curva en la base y se vuelve más rígida a lo largo de su longitud. Solo en este caso, el efecto de la curvatura se "hornea" en la aleta, lo que significa que tiene los beneficios mecánicos de una curva incluso cuando es plana. La aplicación de una curvatura real en la base de la aleta magnificaría el efecto de rigidización.

"Por lo tanto, al ajustar la curvatura, los peces podrían alterar rápida y dramáticamente la fuerza con la que podían empujar el agua, lo que podría hacerlos más maniobrables ", dijo Mandre.

Los investigadores dicen que su modelo sugiere posibilidades intrigantes para el diseño de nadadores robóticos.

"Estos resultados nos ayudan a comprender el significado funcional de la curvatura en las aletas de los peces, "Dijo Mandre." De esa manera, proporciona un principio de diseño que podemos usar potencialmente para desarrollar apéndices robóticos para propulsión acuática altamente maniobrable ".