Un nuevo estudio explica por primera vez los principios detrás del diseño de picaduras, agujas y picos en animales y plantas. Los principios se pueden utilizar directamente en el desarrollo de nuevas herramientas y equipos médicos.

Kaare Hartvig Jensen y sus colegas de DTU Physics tuvieron experiencias repetidas en las que las pequeñas pipetas de vidrio que usan para extraer el líquido de las células vegetales se rompieron al entrar en contacto con la pared celular. Esto molestó a los investigadores y despertó su interés en objetos puntiagudos similares en la naturaleza que no se rompen cuando se usan. Eso incluye espinas en plantas como cactus y ortigas o las picaduras y espinas de muchos insectos, algas, erizos y otros animales.

La idea de buscar inspiración en la naturaleza no es nueva para Kaare Hartvig Jensen, que pertenece a un grupo creciente de investigadores biomiméticos. Se enfocan en explorar el diseño de la naturaleza para encontrar inspiración para innovaciones técnicas relacionadas con, por ejemplo, herramientas y equipos médicos.

Basado en una amplia gama de experimentos

Para adquirir más conocimientos sobre el tema, Jensen y sus colegas realizaron experimentos con modelos y recopilaron datos de más de 200 especies, examinar el diseño de varios objetos puntiagudos en animales y plantas. Su campo de estudio era amplio e incluía partes puntiagudas de plantas o animales utilizados para propósitos muy diferentes, por ejemplo para pegarse a una superficie, ingiriendo alimento, o defensa. Además, el análisis incluyó agujas o picaduras en animales y plantas que están hechos de materiales y tamaños muy diferentes. que van desde los virus más pequeños y los picos de algas, midiendo solo 50 nanómetros, a la parte puntiaguda más larga del mundo de un animal, el colmillo de narval de 2,5 metros.

Los investigadores también incluyeron el diseño de objetos puntiagudos hechos por el hombre, como clavos, agujas de jeringa, y armas (lanzas y lanzas antiguas) de hasta seis metros de largo.

El diseño asegura fuerza y ​​elasticidad

La gran base de datos permitió a los investigadores identificar cómo las herramientas puntiagudas de la naturaleza están diseñadas para ser lo suficientemente fuertes como para penetrar la piel humana o animal. por ejemplo, y lo suficientemente duro para garantizar que la punta no se rompa al entrar en contacto con la piel.

"Nuestros resultados mostraron que existe una clara correlación entre la longitud de una aguja o picadura y su diámetro, tanto cerca de la punta como donde se adhiere a la planta o animal. De este modo, se puede garantizar tanto la fuerza como la elasticidad necesarias de la punta, ya sea en una ortiga o en un mosquito ", dice Jensen.

"Al mismo tiempo, está claro que las herramientas puntiagudas de la naturaleza están al borde de lo que es físicamente posible. Y también está claro que los diseños son muy similares, independientemente de si estamos mirando los picos a nanoescala de un virus o el pico de 1,5 metros de un pez espada, "dice Jensen.

Los hallazgos del nuevo estudio se han publicado recientemente en la respetada revista científica. Física de la naturaleza .

El estudio también incluyó objetos puntiagudos hechos por el hombre que ya han imitado formas naturales en gran medida.

"Este nuevo conocimiento de cómo calcular el diseño óptimo de un objeto puntiagudo se puede utilizar en el futuro para diseñar, p.ej., agujas de jeringa para optimizar la asignación de medicación. O en diseñar uñas, permitiendo una reducción del consumo de material sin perder la estabilidad necesaria, "Dice Jensen.

Los propios investigadores también han utilizado los resultados para rediseñar sus pipetas de vidrio para que ya no experimenten roturas al extraer líquido de las células vegetales.