En 0.25 gramos pueden estar contenidos muchos secretos de la nueva aeronáutica. La Pieris brassicae o mariposa blanca de la col sirvió de referencia para un nuevo estudio sobre el impulso del vuelo. Las trayectorias de las mariposas suelen parecer proyecciones sin planeación, pero sus patrones de vuelo prometen aportar ideas clave para el diseño de nuevos vehículos aéreos.
Investigadores de la Universidad de Aeronáutica y Astronáutica de Pekín estudiaron cómo las mariposas utilizan la generación de fuerza aerodinámica para lograr el vuelo estacionario, el que las mantiene quietas en el aire y puede inspirar a los nuevos sistemas de control para que una aeronave pequeña sea utilizada en misiones de rescate en terrenos difíciles.
Retrato natural
Los investigadores emplearon cámaras de alta velocidad para observar las mariposas capturadas en la naturaleza y utilizaron un modelo de aprendizaje profundo para rastrear sus características corporales y los puntos específicos de las alas de las mariposas durante sus secuencias de vuelo. Todo esto sin hacer ningún marcaje en el frágil cuerpo del animal. Pronto descubrieron que el principal factor que contribuye al vuelo estacionario de las mariposas es la inclinación de su cuerpo.
Según el estudio, 90 grados de inclinación constante alcanza la mariposa blanca para obtener estabilidad en el vuelo estacionario. A diferencia de otros insectos, las mariposas ajustan continuamente el ángulo de su cuerpo mientras vuelan, modificando la orientación de sus fuerzas aerodinámicas para asegurar que los golpes de sus alas proporcionen suficiente fuerza vertical mientras contrarrestan la gravedad. Este ajuste permite a las mariposas generar la fuerza adecuada para mantener el vuelo estacionario y es retomado por la biomimética para diseñar vehículos que compensen las fuerzas aerodinámicas para mantener altitud y posición.
El autor del estudio, el chino Yanlai Zhang, ha dicho que la capacidad de las mariposas de mantenerse suspendidas en el aire con ligeros aleteos a bajas frecuencias puede ayudar también a diseñar vehículos aéreos no tripulados (MAV) furtivos con bajas exigencias estructurales, pues aunque los MAV ya han replicado con éxito la capacidad de planear de otros insectos y aves, las mariposas ofrecen aplicaciones únicas que van desde la seguridad hasta la conservación.
“Esta capacidad podría revolucionar su alcance operativo, desde la navegación en zonas de desastre confinadas para misiones de búsqueda y rescate hasta la polinización de precisión en invernaderos” afirmó Zhang. “Estamos especialmente entusiasmados con el despliegue de estos MAV silenciosos con capacidad de vuelo estacionario para la observación no invasiva de la fauna silvestre, donde su apariencia biomimética y su funcionamiento silencioso minimizarían las perturbaciones en los escenarios naturales”, señala el científico en un material difundido hace unos días por el Instituto Americano de Física.
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Además de los patrones de vuelo estacionario de las mariposas, los científicos también se han inspirado en las nanoestructuras de los colores iridiscentes de las alas de algunas especies para el desarrollo de pantallas digitales. Las frágiles alas de la mariposa son en realidad estructuras complejas que encierran importantes secretos de la naturaleza al servicio de la tecnología.
Las mariposas pueden ajustar su postura corporal y el movimiento de sus alas para optimizar la absorción o reflexión de la radiación solar. También pueden cerrar sus alas y mantenerlas paralelas a la fuente de calor para minimizar el impacto del mismo. Esto también ha servido de inspiración para la generación de fuentes naturales de absorción de energía en vehículos aéreos y otros instrumentos tecnológicos.
Las escamas de las alas de las mariposas tienen nanoestructuras que les permiten disipar el calor en diferentes partes del ala. Investigaciones recientes sobre la estructura de las alas han demostrado que las zonas con células vivas (las venas) tienen una mayor emisividad térmica (capacidad para liberar calor) que otras zonas, como la membrana.
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Un grupo de estudio de la Universidad d e Exeter descubrió que las alas de la mariposa disponen de diminutas estructuras con forma de peine, con un tamaño similar a la longitud de onda de la propia luz. Esta característica les permite interactuar de manera muy intensa con esta fuente de energía. Las mariposas tienen una relación con la luz única.
Existen 150 mil especies de lepidópteros en todo el mundo; de este grupo, 25 mil corresponden a diferentes especies de mariposas y la mayoría habita en bosques húmedos, pero en los últimos años las poblaciones de polinizadores, como las mariposas han tenido un alarmante descenso en sus poblaciones. El cambio climático altera sus ciclos de vida, además el uso de pesticidas contribuye a la merma de su distribución geográfica. Un foco rojo para las ciencias naturales y la tecnología.
Legendaria inspiración
A lo largo de 3 mil 800 millones de años se han creado diseños naturales listos para inspirar a los humanos en sus necesidades cotidianas. La biomimética es un campo interdisciplinario que se inspira en la naturaleza para resolver problemas humanos, mediante principios procesos y materiales biológicos. La también llamada biomímesis implica observar, comprender y aplicar las soluciones y estrategias que se encuentran en el mundo natural para crear tecnologías y soluciones innovadoras.
Una de las inspiraciones legendarias en la aerodinámica es el martín pescador, un pájaro con pico alargado y veloz vuelo que sirvió para inspirar el diseño frontal del tren bala japonéss. Más de 600 kilómetros de velocidad logra el tren inspirado en la aerodinámica del pequeño pájaro. La bitácora de vuelo que ofrece la naturaleza es ilimitada.
Los murciélagos han conquistado desde hace muchos años la imaginación de los científicos por su agilidad de vuelo gracias a conformación de sus versátiles alas con 40 articulaciones activas y pasivas. Por otra parte, la estructura de las telarañas y otras estructuras biológicas ha inspirado el desarrollo de materiales ultrarresistentes. Las proteínas de su estructura flexible las hacen más resistentes que el acero e incluso se han convertido en materiales probados para vuelos espaciales con necesidades específicas a la resistencia.
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La aerodinámica también se estudia en los mares. Los bordes irregulares y ondulados de las colas de las ballenas les permiten maniobrar rápidamente para cazar o huir y han servido de inspiración para crear eficientes turbinas, incorporadas en aviones de gran tamaño.
Por aire, mar y tierra cada observación brinda una solución. Hace casi un siglo, el ingeniero eléctrico suizo George de Mestral inventó un cierre único para telas y otros materiales, conocido hoy como el famoso velcro. Su inspiración fue precisamente observar a su perro después de un paseo en el bosque. Su pelaje lucía lleno de los frutos de la bardana. Por el microscopio pudo apreciar una serie de pequeños y afilados ganchos que poseía la planta. Su perfecto diseño es precisamente el que dio origen al velcro.
Es así que la biomimética tiene la capacidad de transformar las soluciones observables en la naturaleza en nuevas herramientas para la vida cotidiana. Desde los dibujos de Leonardo da Vinci, inspirados en la anatomía de los pájaros, mediante los que se buscaba que un hombre pudiera volar; hasta los sistemas de alerta oceánica basados en ultrasonidos, como los empleados por delfines, la búsqueda de soluciones a problemas o sueños cotidianos va definiendo cada época.
El futuro de la biomimética se presenta como una fuente de gran potencial para la innovación sostenible y la resolución de problemas complejos. La biomimética, inspirada en los procesos y sistemas de la naturaleza, ha ofrecido soluciones innovadoras en diversas áreas, desde la arquitectura y la ingeniería hasta la medicina y la tecnología, contribuyendo a un futuro más sostenible y eficiente.