Cuando los primeros animales terrestres comenzaron a moverse sobre el barro y la arena hace 360 millones de años, las poderosas colas que usaron como pez pueden haber sido más importantes de lo que los científicos se daban cuenta previamente. Esa es una conclusión de un nuevo estudio sobre peces africanos de mudskipper y un robot modeladoen el animal
Los animales análogos al mudskipper habrían usado aletas modificadas para moverse en superficies planas, pero para escalar laderas arenosas, los animales podrían haberse beneficiado al usar sus colas para impulsarse hacia adelante, encontraron los investigadores. Los resultados del estudio informaron estosemana en el diario ciencia podría ayudar a los diseñadores a crear robots anfibios capaces de moverse a través de superficies granulares de manera más eficiente y con menos probabilidades de quedar atrapado en el lodo.
Patrocinado por la National Science Foundation, la Oficina de Investigación del Ejército y el Laboratorio de Investigación del Ejército, el proyecto involucró a un equipo multidisciplinario de físicos, biólogos y robotistas del Instituto de Tecnología de Georgia, la Universidad de Clemson y la Universidad Carnegie Mellon. Además de un detalladoestudio del mudskipper y desarrollo de un modelo de robot que usó las técnicas de locomoción del animal, el estudio también examinó las condiciones de flujo y arrastre en materiales granulares representativos, y aplicó un modelo matemático que incorpora nueva física basada en la investigación de arrastre.
"La mayoría de los robots tienen problemas para moverse en terrenos que incluyen laderas arenosas", dijo Dan Goldman, profesor asociado de la Escuela de Física de Georgia Tech. "Observamos que no solo los fangos usan sus extremidades para propulsarse en una especie demovimiento de muletas en la arena y laderas arenosas, pero cuando las cosas se pusieron difíciles, usaron sus colas en concierto con la propulsión de las extremidades para ascender una pendiente. Nuestro modelo de robot solo pudo escalar laderas arenosas cuando de manera similar utilizó su cola en coordinación con suapéndices "
Con base en los registros fósiles, los científicos han estudiado durante mucho tiempo cómo los animales terrestres tempranos pueden haberse movido, y el nuevo estudio sugiere que sus colas, que desempeñaron un papel clave en la natación como peces, pueden haber ayudado a complementar el trabajo de las aletas, especialmenteen superficies granulares inclinadas como playas y marismas.
"Estábamos interesados en examinar uno de los eventos evolutivos más importantes de nuestra historia como animales: la transición de vivir en el agua a vivir en la tierra", dijo Richard Blob, ex profesor distinguido de ciencias biológicas en la Universidad de Clemson. "El enfoque en las extremidades, el papel de la cola puede no haber sido considerado muy fuertemente en el pasado. De alguna manera, se escondía a simple vista. Algunas de las características que los animales usaban eran nuevas, como las extremidades, pero algunas deeran características existentes que simplemente cooptaron para permitirles mudarse a un nuevo hábitat "
Con la estudiante de doctorado Sandy Kawano, ahora investigadora del Instituto Nacional de Síntesis Matemática y Biológica, el laboratorio de Blob registró cómo los fanáticos del barro Periopthalmus barbaratus se movió en una variedad de superficies sueltas, proporcionando datos y videos al laboratorio de Goldman.El pez pequeño, que usa sus aletas y cola delanteras para moverse en tierra, vive en áreas de marea cerca de la costa, pasando tiempo en el agua y en superficies arenosas y lodosas.
Benjamin McInroe era un estudiante universitario de Georgia Tech que analizó los datos del rompedor de lodo proporcionados por el equipo de Clemson. Aplicó los principios a un modelo de robot conocido como MuddyBot que tiene dos extremidades y una cola potente, con movimiento proporcionado por motores eléctricos. Información de amboslos estudios de lodo y robótica también se incluyeron en un modelo matemático proporcionado por investigadores de la Universidad Carnegie Mellon.
"Utilizamos tres enfoques complementarios", dijo McInroe, quien ahora es estudiante de doctorado en la Universidad de California en Berkeley. "El pez proporcionó un modelo morfológico y funcional de estos primeros caminantes. Con el robot, estamoscapaces de simplificar la complejidad del mudskipper y variando los parámetros, comprender los mecanismos físicos de lo que estaba sucediendo. Con el modelo matemático y sus simulaciones, pudimos comprender la física detrás de lo que estaba sucediendo ".
Tanto los mudskippers como el robot se movieron alzándose para reducir el arrastre de sus cuerpos, y ambos necesitaron una patada de sus colas para escalar pendientes arenosas de 20 grados. Usando sus "aletas" solos, ambos lucharon para subir pendientes y con frecuenciase deslizó hacia atrás si no usaron sus colas, señaló McInroe. Los primeros animales terrestres probablemente no tenían un control preciso sobre sus extremidades, y la cola pudo haber compensado esa limitación, ayudando a los animales a ascender pendientes arenosas.
Los investigadores de la Universidad Carnegie Mellon, que han trabajado con Goldman en relacionar la locomoción de otros animales con robots, demostraron que los modelos teóricos desarrollados para describir el movimiento complejo de los robots también pueden usarse para comprender la locomoción en el mundo natural.
"Nuestras herramientas de modelado por computadora nos permiten visualizar y, por lo tanto, comprender mejor cómo el mudskipper incorpora sus movimientos de cola y aleta para desplazarse", dijo Howie Choset, profesor del Instituto de Robótica de la Universidad Carnegie Mellon. "Este trabajo también lo hará.robótica avanzada en aquellos casos en que un robot necesita superar terrenos desafiantes con varias inclinaciones ".
El modelo se basó en un marco propuesto para comprender ampliamente la locomoción por el físico Frank Wilczek, ganador del Premio Nobel, y su entonces estudiante Alfred Shapere en la década de 1980. El enfoque de la llamada "mecánica geométrica" para la locomoción de seres humanosLos dispositivos fabricados como los satélites fueron desarrollados en gran medida por ingenieros, incluidos los del grupo de Choset. Para proporcionar relaciones de fuerza como entradas para el modelo de robot mudskipper, la becaria posdoctoral de Georgia Tech Jennifer Rieser y la estudiante graduada de Georgia Tech, Perrin Schiebel, midieron el arrastre en materiales granulares inclinados.
La información del estudio podría ayudar en el diseño de robots que pueden necesitar moverse sobre superficies como arena que fluye alrededor de las extremidades, dijo Goldman. Tal flujo del sustrato puede impedir el movimiento, dependiendo de la forma del apéndice que ingresa a la arenay el tipo de movimiento.
Pero el impacto más significativo del estudio puede ser proporcionar nuevas ideas sobre cómo los vertebrados hicieron la transición del agua a la tierra.
"Queremos saber en última instancia cómo la selección natural puede actuar para modificar las estructuras ya presentes en los organismos para permitir la locomoción en un entorno fundamentalmente diferente", dijo Goldman. "Nadar y caminar en tierra son fundamentalmente diferentes, pero estos primeros animales tuvieron quehacer la transición "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Georgia . Original escrito por John Toon. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :