La boca y los dientes intrincados del erizo de mar son el modelo de un dispositivo con forma de garra desarrollado por un equipo de ingenieros y biólogos marinos de la Universidad de California en San Diego para tomar muestras de sedimentos en otros planetas, como Marte. Los investigadores detallan sutrabajar en un número reciente de la Diario de experimentos visualizados .
La boquilla del erizo fue descrita por primera vez en detalle por el filósofo griego Aristóteles, lo que le valió el sobrenombre de "linterna de Aristóteles". Está compuesta por una intrincada estructura de músculos y cinco dientes curvos con puntas en forma de triángulo que pueden raspar, cortar y masticary perforan las rocas más duras: una colonia de erizos de mar puede destruir todo un bosque de algas al batir las rocas y arrancar las algas. Los dientes están dispuestos en una formación en forma de cúpula que se abre hacia afuera y se cierra hacia adentro con un movimiento suave, similara una garra en una máquina recreativa para ganar premios.
La extraordinaria habilidad del erizo para atravesar rocas podría traducirse en un buen muestreador de sedimentos para vehículos espaciales como los rovers de Marte, que actualmente usan palas para recolectar muestras terrestres, dijo Michael Frank, candidato a doctorado en la Escuela de Ingeniería Jacobs.en UC San Diego y el primer autor del artículo. "Nuestro objetivo era un dispositivo bioinspirado que fuera más preciso y eficiente para tomar muestras del suelo de diferentes áreas, y que no perturbara el área circundante como lo haría una pala", dijo.
Frank es parte de un grupo de investigación que utiliza la ingeniería para explicar las estructuras biológicas y luego diseña dispositivos bioinspirados en función de lo que encuentran. Dirigido por la profesora de ingeniería mecánica Joanna McKittrick, el grupo ha aplicado este enfoque para explorar estructuras naturales en caballitos de mar.peces cofre, puercoespines, pájaros carpinteros, peces puercoespín y muchos otros animales.
En este artículo, un hallazgo fue la importancia de una estructura en forma de T que corre por el medio de cada uno de los dientes del erizo, llamada quilla. Las simulaciones muestran que los dientes con quillas experimentaron un 16 por ciento menos de estrés que los dientes sin quillas cuando se sometieron auna carga de 10 libras. Los investigadores también notaron que agregar la quilla aumenta la masa del diente en solo un 4 por ciento.
Metodología
La bioinspiración para el estudio provino de erizos de mar rosas Strongylocentrotus fragilis , que viven frente a la costa oeste de América del Norte, a profundidades que van desde los 100 a los 1000 metros en el Océano Pacífico.Los erizos fueron recolectados para investigación científica por la Institución Scripps de Oceanografía en UC San Diego.
Los investigadores extrajeron las boquillas de los erizos, las escanearon con microCT, esencialmente una técnica de microscopía 3D, y analizaron las estructuras en el Centro Nacional de Investigación en Microscopía e Imágenes de la Facultad de Medicina de UC San Diego. Esto permitió a los ingenieros construir unmodelo preciso de la geometría de la boquilla.
Los investigadores también utilizaron el análisis de elementos finitos para investigar la estructura de los dientes, un método que les permitió determinar la importancia de la quilla para el desempeño de los dientes.
Luego, los ingenieros convirtieron los datos de microCT en un archivo fácil de usar que un equipo de estudiantes de ingeniería de la UC San Diego utilizó para comenzar a iterar prototipos del dispositivo con forma de garra, bajo la supervisión de estudiantes de doctorado en el laboratorio de McKittrick.
La primera iteración estuvo muy cerca de la estructura natural de la boquilla, pero no hizo un buen trabajo al agarrar arena. En la segunda iteración, los estudiantes aplanaron el extremo puntiagudo de los dientes para que el dispositivo recoja mejor arena. Peroel dispositivo no se abría del todo bien. Finalmente, en la tercera iteración, conectaron los dientes de manera diferente al resto del dispositivo, lo que permitió que se abriera mucho más fácilmente. Los estudiantes pudieron modificar rápidamente cada prototipo mediante el uso de impresoras 3D enel estudio de diseño de UC San Diego.
El dispositivo se conectó luego a un pequeño vehículo explorador a control remoto. Los investigadores primero probaron la garra en la arena de la playa, donde funcionó bien. Luego usaron la garra en la arena que simula el suelo marciano en densidad y humedad o falta de ella. El dispositivo fue capaz de recoger arena de manera eficiente. Los investigadores imaginan una flota de mini rovers equipados con la garra que podría desplegarse para recolectar muestras y llevarlas de regreso a un rover principal. Frank espera que este diseño sea de interés para la NASA ySpaceX.
Video en: http://youtu.be/4CG5peD6J3M
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - San Diego . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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