Medusas biónicas, más rápidas y eficientes

Investigadores del Caltech y Stanford han empleado la microelectrónica para mejorar la natación de las medusas. Los autores imaginan que en un futuro las medusas equipadas con sensores podrían ser dirigidas a explorar y registrar información sobre el océano.

Medusas biónicas

Medusas biónicas

Foto: Rebecca Konte/Caltech

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En una pequeña prótesis que permite a las medusas nadar más rápido y eficientemente, y sin estresar a los animales, consiste el nuevo dispositivo desarrollado por investigadores del Instituto Tecnológico de California -Caltech-y la Universidad de Stanford, quienes se imaginan un futuro en que las medusas equipadas con sensores podrían ser dirigidas a explorar y registrar información sobre el océano. La investigación, dirigida por John Dabiri profesor de aeronáutica e ingeniería mecánica en el Caltech y la estudiante graduada de Stanford Nicole Xu, se publicó esta semana en la revista Science Advances bajo el título Low-power microelectronics embedded in live jellyfish enhance propulsion.

Las medusas usan un movimiento pulsante para nadar hacia adelante, agitando sus tentáculos mientras se mueven para capturar a sus presas. La nueva prótesis utiliza impulsos eléctricos para regular y acelerar esa pulsación, de manera similar a la forma en que un marcapasos cardíaco regula la frecuencia cardíaca. El dispositivo, de flotación neutra, tiene aproximadamente 2 centímetros de diámetro y está unido al cuerpo de la medusa a través de una pequeña púa de madera.

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Por lo general, las medusas nadan a una velocidad de aproximadamente 2 centímetros por segundo, y aunque son capaces de desplazarse más rápido, hacerlo no les ayuda a atrapar a sus presas. En su investigación, Dabiri, Xu y sus colegas equiparon a las medusas con un microcontrolador electrónico que pulsa a una frecuencia tres veces más rápida que los pulsos corporales habituales de los animales. Así, el pulso de las medusas se aceleró, produciendo un aumento correspondiente en su velocidad de natación alrededor de los 4 a 6 centímetros por segundo.

Además de hacer que las medusas sean más rápidas, las sacudidas eléctricas también las hicieron nadar de manera más eficiente. Aunque las medusas nadaron tres veces más rápido de lo habitual, usaron solo el doble de energía para hacerlo, medida en base a la cantidad de oxígeno consumido. De hecho, las medusas equipadas con prótesis fueron 1.000 veces más eficientes que los robots diseñados para nadar, explica Xu. "Hemos demostrado que son capaces de moverse mucho más rápido de lo normal, sin un costo excesivo en su metabolismo", añade la investigadora. Esto revela que las medusas poseen una capacidad sin explotar para nadar de manera más rápida y más eficiente. Simplemente no tienen una razón para hacerlo".

Aunque las medusas nadaron tres veces más rápido de lo habitual, usaron solo el doble de energía para hacerlo

Cabe señalar que las medusas fueron monitoreadas de cerca para asegurarse de que no fueran dañadas. Las medusas no tienen un cerebro o receptores de dolor, pero se ha descubierto que secretan una especie de mucosa cuando están estresadas, lo que no se observó en el experimento. Además, las medusas volvieron a nadar normalmente una vez que se retiró la prótesis.

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La investigación representa un "punto medio" entre dos líneas de trabajo de robótica bioinspiradas en las que Dabiri ha estado involucrado durante la última década, tanto en el Caltech como en Stanford. Uno implica el uso de componentes puramente mecánicos y el otro de materiales puramente biológicos.

Con sistemas puramente mecánicos Dabiri ha tenido éxito construyendo robots que parecen animales reales pero requieren mucha más energía para realizar las mismas tareas. "Todavía no hemos capturado la elegancia de los sistemas biológicos", señala. Sin embargo, aunque son más elegantes que los robots, los sistemas puramente biológicos son mucho más frágiles. De hecho, en colaboración con colegas de la Universidad de Harvard, Dabiri ha demostrado que las células cardíacas de rata pueden responder a los campos eléctricos, lo que potencialmente las convierte en bloques de construcción útiles para dispositivos biológicos, pero las células solo sobreviven en condiciones de laboratorio.

"Aunque son más elegantes que los robots, los sistemas puramente biológicos son mucho más frágiles"

El esfuerzo para agregar controles mecánicos a las medusas comenzó en 2013 en el Caltech, cuando Xu era un estudiante universitario en el laboratorio de Dabiri. Dabiri estaba interesado en aprovechar las medusas para la exploración y detección de los océanos debido a su abundancia: las especies utilizadas en los experimentos actuales se pueden encontrar en todos los océanos de la Tierra, a profundidades que van desde la superficie hasta el fondo de profundas fosas.

"Solo se ha explorado una pequeña fracción del océano, por lo que queremos aprovechar el hecho de que las medusas ya están en todas partes para dar un salto a partir de mediciones basadas en barcos, que son limitadas en número debido a su alto costo", explica Dabiri . "Si podemos encontrar una manera de dirigir estas medusas y también equiparlas con sensores para registrar variantes como la temperatura del océano, la salinidad, los niveles de oxígeno, etc., podríamos crear una red oceánica verdaderamente global donde cada una de estas medusas cuesta unos pocos dólares".

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Actualmente, la prótesis puede dirigir a las medusas para comenzar a nadar y controlar el ritmo. El siguiente paso será desarrollar un sistema que guíe a las medusas en direcciones específicas y que les permita responder a las señales de los sensores a bordo, comenta Dabiri, quien espera desarrollar controles electrónicos aún más pequeños que podrían integrarse completamente en la medusa.

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