Un equipo de ingenieros y biólogos marinos construyó una mejor ventosa inspirada en el mecanismo que permite que el pez se adhiera a superficies lisas y rugosas, como rocas en el área donde la marea sube y baja.
Los investigadores realizaron ingeniería inversa en el disco de succión del pez transparente y desarrollaron dispositivos que se adhieren bien a objetos húmedos y secos tanto fuera del agua. Los dispositivos pueden soportar hasta cientos de veces su propio peso. Pueden usarse en una amplia gama de aplicacionesdesde la manipulación y el envasado de productos, hasta las pinzas robóticas en la fabricación, hasta la recuperación de artefactos arqueológicos.
El equipo de la Universidad de California en San Diego presenta sus hallazgos en un número reciente de la revista Bioinspiración y biomimética .
El objetivo general del proyecto era desarrollar una nueva tecnología capaz de proporcionar un agarre delicado para manejar objetos frágiles. El estudio destaca la importancia de la biomimética, que permite a los científicos de todas las disciplinas, desde la ingeniería hasta la biología, trabajar juntos e inspirarse en la naturaleza paradesarrollar nuevas tecnologías
"Siempre me ha fascinado la naturaleza, y específicamente los diseños intrincados y fascinantes que han evolucionado y que pueden hacer lo que la tecnología moderna no puede", dijo Jessica Sandoval, estudiante de doctorado en la Escuela de la Universidad de California San Diego Jacobs.Ingeniero y autor principal del estudio: "Esta fue una oportunidad perfecta para estudiar el mecanismo de adhesión en estos peces adherentes y abordar cómo se puede mejorar la tecnología detrás de la adhesión de las ventosas".
Mejora de ventosas mediante biomimética
Clingfish es un pez pequeño extendido en regiones tropicales y templadas. Son comunes en áreas intermareales, donde usan su poderosa capacidad de succión para adherirse a rocas, algas y pastos marinos. Pueden permanecer adheridas a estas superficies incluso en corrientes poderosas y cuandomaltratadas por las olas. El pez que se usó en este estudio era una especie nativa de la costa oeste, y se recolectó justo en San Diego.
Al estudiar el pez que recogieron, Sandoval y sus colegas descubrieron que el secreto que imita el mecanismo de fijación que usa el animal era incorporar una capa suave y hendiduras en las ventosas artificiales. El disco de succión del pez se alinea con filas de estructuras hexagonales,llamados papilas, que están cubiertas con fibras microscópicas. Los investigadores imitaron esto dentro de sus prototipos con una capa suave hecha de silicona. Esa capa mejoró drásticamente el rendimiento adhesivo en superficies rugosas. El equipo también incorporó ranuras en la cámara de la ventosa, lo que aseguramejor adhesión a superficies cóncavas irregulares.
"Cuando hablé por primera vez con mis colegas de ingeniería, estaba seguro de que el truco para optimizar la ventosa vendría de la biología", dijo el coautor del estudio Dimitri Deheyn, investigador en biología marina y biomimética de la Institución Scripps de Oceanografía en la Universidad de California en San Diego"También estaba seguro de que una ventosa mejor combinaría una arquitectura de diseño única y un mecanismo 3D versátil de algún tipo".
rendimiento de la ventosa
Los discos de succión artificial desarrollados por los investigadores fueron capaces de adherirse a superficies rugosas, como papeles de arena gruesos y a superficies muy variables, desde rocas hasta vegetales, tanto dentro como fuera del agua. Los investigadores también mostraron que sus dispositivos podían recoger tododesde cerezas y fresas sin romperlas hasta elaborar caracoles y jarrones.
"Muchos dispositivos adhesivos se adhieren bien solo a una superficie seca o húmeda y tienen dificultades con las superficies rugosas", dijo el coautor del estudio Mike Tolley, experto en robótica y profesor de la Escuela de Ingeniería Jacobs en UC San Diego ". Nuestros dispositivospuede hacerlo todo "
Los dispositivos pueden sujetar un objeto pesado durante más de seis horas, lo que los investigadores creen que podría extenderse a períodos más largos de tiempo. Además, estos discos de succión inspirados en peces tienen un agarre impresionante dado su tamaño: un disco de succión puede soportara 350 veces su propio peso mientras está suspendido en el aire.
Los investigadores incluso equiparon el brazo de un vehículo operado remotamente ROV con uno de sus dispositivos y mostraron que podía manipular un huevo crudo sin romperlo.
"Esta aplicación de ROV específica es de particular interés para mí", dijo Sandoval, que es piloto de ROV de aguas profundas además de ser un estudiante de doctorado. "Al pilotar ROV, uso manipuladores submarinos para recuperar delicadosmuestras del fondo del mar. A menudo desearía tener una herramienta de agarre delicado para complementar la poderosa sujeción de las mandíbulas metálicas del manipulador. Mi trabajo en las profundidades del mar fue una verdadera motivación para mirar a la naturaleza en busca de inspiración para la adhesión ".
Experimentos y análisis
Los peces se recogieron en las pozas de marea al norte del muelle Ellen Browning Scripps. Parte de la Reserva Marina Costera Scripps, los científicos de UC San Diego pueden adquirir licencias para recolectar organismos con fines científicos de esta área, lo que lo convierte en un activo únicopara la universidad
Mientras construía discos de succión inspirados en peces de colores, el equipo también experimentó imitando las fibras microscópicas de los peces de colores cubriendo la huella del disco de succión artificial con una capa de pilares microscópicos hechos de silicona. Curiosamente, descubrieron que los diseños más simples queconsistía solo en una gruesa capa de silicona que funcionaba mejor que los diseños con pilares microscópicos.
El equipo interdisciplinario analizó el rendimiento de los discos de succión artificiales inspirados en peces de cola. Los investigadores caracterizaron el contacto de la superficie de la huella de los discos para ver cómo interactúan con una superficie. Intentaron comprender la energía subyacente mediante el análisis de elementos finitospara modelar el proceso de deformación de los discos de succión. También realizaron pruebas de resistencia adhesiva en diferentes curvaturas superficiales y diferentes rugosidades superficiales, que van desde acrílico liso hasta papel de lija grueso. Probaron la cantidad de fuerza necesaria para unir el disco a una superficie, dependiendo de la rugosidad de la superficie. Descubrieron que se necesitaba muy poca fuerza para unir los discos a una superficie que explica la capacidad de los dispositivos para manejar objetos delicados.
Este estudio cuenta con el apoyo de la Oficina de Investigación Naval número de subvención N000141712062. Sandoval cuenta con el apoyo del programa Gates Millennium Scholars. Este trabajo fue facilitado por la Iniciativa Biomimética para Ciencia y Tecnología Emergentes iniciativa BEST;
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - San Diego . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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