Esta criatura pega el puñetazo más fuerte del mundo
En un artículo publicado en la revista iScience, los científicos han examinado una estructura con forma de silla de montar en las extremidades del camarón mantis, que actúa como un resorte para almacenar y luego liberar energía. Es lo que permite a sus tenazas de hasta 12 centímetros dar un «punch» de boxeador y cazar a su presa. Pues bien, resulta que esa estructura está compuesta de dos capas hechas de diferentes materiales, en su mayoría biocerámica y biopolímeros (quitina). La medición de la composición y las propiedades micromecánicas de las capas permitieron simular cómo la «silla» almacena cantidades tan grandes de energía elástica sin romperse.
«La naturaleza ha desarrollado un diseño muy inteligente en esta silla», afirma el autor principal Ali Miserez, un científico de materiales que estudia estructuras biológicas únicas en la Universidad Tecnológica de Nanyang. «Si estuviera hecho de un material homogéneo, sería muy frágil. Seguramente se rompería», explica.
Una investigación previa había examinado los apéndices que el camarón mantis emplean para atacar a sus presas, sugiriendo que los músculos por sí solos no podían crear la cantidad de fuerza con la que golpean estos crustáceos. Otro estudio había planteado la hipótesis de que la silla podría utilizarse para almacenar energía elástica, pero estudiar su estructura y propiedades mecánicas era un desafío. «El movimiento es tan rápido que la gente no podía concentrarse solo en la silla, por lo que tuvimos que estudiarla mediante simulación por computadora», apunta Miserez.
Camarón mantis - Maryam Tadayon
El equipo analizó la composición de la silla, realizando micro-medidas de las propiedades mecánicas de los materiales para desarrollar una simulación del golpe del camarón mantis. Descubrieron que la capa superior de la silla está compuesta principalmente por una biocerámica relativamente frágil similar a un diente o un hueso, mientras que la parte inferior contiene un mayor contenido de biopolímeros, que son fibrosos como una cuerda y, por lo tanto, fuertes cuando se tiran. Cuando los músculos y tejidos conectivos del camarón mantis cargan energía en la silla, la capa superior se comprime y la capa inferior se estira, lo que significa que cada capa se coloca bajo las fuerzas que mejor puede soportar.
«Si le pide a un ingeniero mecánico que haga un resorte que pueda almacenar una gran cantidad de energía elástica, no pensaría en usar una cerámica. Las cerámicas pueden almacenar energía si pueden deformarse, pero son tan frágiles que sería intuitivo», dice el investigador. «Pero si las comprime, son bastante fuertes. Y son más rígidas que el metal o cualquier polímero, por lo que realmente pueden almacenar una mayor cantidad de energía que esos materiales», concluye.
Tenazas que cortan el agua
Los investigadores también realizaron una serie de experimentos con pequeñas tiras de estructuras de sillas reales que cortaron con un potente rayo láser de picosegundos. Analizaron cómo se distribuyeron las fuerzas cuando las tiras se doblaron de la forma en que están en el camarón mantis y cuando se doblaron de manera incorrecta. Cuando se doblaron de forma incorrecta, con los biopolímeros comprimidos y las biocerámicas estiradas, las tiras fueron menos capaces de soportar grandes fuerzas, probablemente debido a pequeñas fracturas en la capa de cerámica.
«Desde una perspectiva científica fundamental, la mecánica de esta estructura es bastante interesante», dice el investigador. «Pero lo que este diseño también muestra es que puede ser un resorte muy eficiente, y puede hacerse con cerámica, que es más eficiente que otros materiales que se están usando ahora. Podemos utilizar materiales que nunca habríamos pensado sobre la base de sus conocimientos de ingeniería mecánica».
Los camarones pueden dar hasta 50.000 golpes en toda su vida, lo que demuestra la resistencia de sus tenazas. La fuerza creada supera más de mil veces su propio peso. Además, la aceleración de la tenaza produce un efecto de cavitación, lo que significa que corta el agua, literalmente hirviéndola.
Miserez y sus colegas continúan estudiando la estructura de la silla del camarón mantis e incluso han empezado a imprimir en 3D algunos resortes inspirados en sus estructuras que podrían emplearse en la construcción de robots y en materiales más eficientes para almacenar energía. Una maravilla de la naturaleza que ya guarda menos secretos y que podría tener aplicaciones increíbles.