I Carnaval de Biología: La biomecánica del pájaro carpintero permite diseñar microdispositivos que soportan 60.000 fuerzas G

Pájaro carpintero intentando agujerear un tubería de desigüe metálica. 

Un pájaro carpintero puede taladrar el tronco de un árbol hasta hacer un agujero golpeándolo a un ritmo entre 18 y 22 veces por segundo con una desaceleración de 1.200 g, cientos de veces mayor que la que experimenta un astronauta, y sin sufrir daño alguno en su cerebro (el estadounidense Eli L. Beeding Jr. ostenta desde 1958 el récord mundial al soportar 82’6 g durante 0’04 segundos; después se pasó tres días en un hospital). Un nuevo artículo de Yoon y Park, de la Universidad de California en Berkeley, se inspira en el secreto del pájaro carpintero para desarrollar un sistema de amortiguación de vibraciones para dispositivos microfabricados móviles. Una de las claves es el hueso esponjoso que rodea y protege el cráneo de este pájaro, pero no es la única. El nuevo sistema de amortiguación bioinspirado puede soportar hasta 60.000 g (comprobado con una escopeta de aire comprimido con un calibre de 60 mm). La biomecánica del pájaro carpintero se ha descubierto gracias a un estudio mediante tomografía computarizada de rayos X que ha conducido a un modelo biomecánico de la amortiguación de lass vibraciones en su cráneo. El artículo técnico, de acceso gratuito, es Sang-Hee Yoon, Sungmin Park, “A mechanical analysis of woodpecker drumming and its application to shock-absorbing systems,” Bioinspiration & Biomimetics 6: 016003, Published 17 enero 2011. Esta entrada es mi primera participación para el I Carnaval de Biología que alberga el blog Micro Gaia. Aunque el tema de esta edición son las bacterias, me he permitido la licencia de centrar mi entrada en los pájaros carpinteros, supongo que mi segunda entrada será bacteriana.

En el vídeo que abre esta entrada se observa a un carpintero de vientre rojo (Melanerpes carolinus) natural de América del Norte que golpea con insistencia un desagüe metálico, creyendo por error que se trata de un poste de madera. En la figura de arriba se muestra un detalle de la postura del animal durante un golpe rápido contra el desagüe (en el vídeo de youtube el carpintero alcanza hasta 20 golpes por segundo). Como se observa en la figura el carpintero hace palanca con su cuerpo y utiliza su cola para estabilizarse. Los autores del estudio han utilizado tomografía computarizada de rayos X para observar el cráneo del carpintero de frente dorada (Melanerpes aurifrons), pájaro natural de centroamérica y del sur de los EE.UU., como muestra la figura de abajo, que muestra el pico (beak), el hueso esponjoso (spongy bone), el hueso del cráneo (skull bone) y el hioide (hyoid).

Los autores del artículo han desarrollado un modelo biomecánico simplificado del sistema de amortiguación de golpes del pájaro carpintero. La figura de arriba muestra el modelo cinemático del golpe; un carpintero de frente dorada puede alcanzar los 28 golpes por segundo y es capaz de golpear un árbol repetidamente entre 500 y 600 veces al día. En la figura de abajo se muestra un modelo biomecánico de parámetros concentrados para el sistema de amortiguación del carpintero (un modelo simplificado basado en masas, muelles y amortiguadores). Para modelar las propiedades del hueso esponjoso han desarrollado un modelo experimental que hace vibrar un cilindro metálico relleno de microbolitas de cuarzo de diferentes diámetros (68, 120, 375, 500, y 875 μm); gracias a este modelo han descubierto que el hueso esponjoso actúa como un filtro paso bajo para las frecuencias de vibración con cierto factor de atenuación.

El mecanismo de amortiguación del pájaro carpintero sugiere que para mejorar la tolerancia a fuerzas G altas de dispositivos microfabricados hay que utilizar: (i) una capa externa de alta resistencia que proteja al microdispositivo de daños físicos (como deformaciones, fracturas, etc.), lo que en el pájaro carpintero es el pico; (ii) una capa viscoelástica que distribuya uniformemente las vibraciones mecánicas, lo que en el pájaro es como el hioides; (iii) una estructura porosa resiliente que filtre las altas frecuencias de vibración mecánica y evite su transmisión al microdispositivo, lo que en el carpintero es el hueso esponjoso; y (iv) otra capa de alta resistencia que contenga a la estructura porosa, como el hueso del cráneo en el pájaro. Gracias a estas ideas, Yoon y Park han desarrollado un sistema de absorción de impactos para microdispositivos biológicamente inspirado, que aparece en la figura de abajo.

Para demostrar que el nuevo sistema funciona han utilizado un rifle de aire comprimido con un calibre de 60 mm que permite acelerar los microdispositivos (recubiertos con su protección) hasta aceleraciones de 60.000 g. El sistema de protección, denominado BIRD-II, ha funcionado con una eficacia increíble. Sólo el 0’7% de los microdispositivos ha sufrido daños; con un sistema más convencional, también bioinspirado, llamado BIRD-I el número de microdispositivos que sufrieron daños fue del 26’4%.

En resumen, la ingeniería bioinspirado y/o biomimética no para de ofrecernos sorpresas, demostrando que la colaboración entre biólogos e ingenieros puede conducir a grandes avances tecnológicos.

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2 pensamientos en “I Carnaval de Biología: La biomecánica del pájaro carpintero permite diseñar microdispositivos que soportan 60.000 fuerzas G

  1. Vaya, cada vez son más los casos de biomimesis que leo inspirados en aves. Imagino que el cerebro y el sistema circulatorio también deben de tener alguna adaptación para funcionar perfectamente durante tanto movimiento.

    ¡ Un saludo y gracias por participar en el Carnaval de Biología !

  2. El gato de mi casa atrapo un pajaro carpintero sin hacerle daño alguno.yo logre salvar al pajaro quitandoselo de sus garras al gato,lo deje volar y el gato a desaparecido misteriosamente de la casa y ahora todas las mañanas el pajaro carpintero viene ami patio y escucho su llamado.sus pajaros muy excasos.

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