El Aquarius paludum salta hasta 14 centímetros, en desplazamientos casi exclusivamente horizontales

Contemplar la Naturaleza es un buen punto de partida para evolucionar en el mundo de la bioingeniería y la robótica. Los investigadores se han fijado en el Aquarius paludum, uno de los invertebrados comunes en los humedales, semiacuático. Con una cámara fotográfica de alta velocidad, han observado cómo actúan las patas respecto a la superficie líquida, sin romperla, con un salto rápido. El insecto corre sobre el agua igual que sobre tierra. El doctor Je-Sung Koh, de la Universidad de Seúl, en colaboración con la Universidad Harvard, ha diseñado RoboStrider, un robot inspirado en el insecto.

El Aquarius paludum salta hasta 14 centímetros, en aceleración vertical, sin romper la superficie del agua. Al robot, que imita al artrópodo, los de la Universidad de Seúl lo llaman RoboStrider, un nombre inventado en 2003 por los investigadores de la Universidad de Cambridge, EE UU. Sus desplazamientos son casi exclusivamente horizontales.

En aguas dulces, lentas o estancadas, zancudos, pequeños coleópteros, arácnidos y algunos hemípteros de las familias Gerridae, Veliidae y Hebridae tienen unas patas largas, que usan para locomoción patinando sobre el agua. Sus patas no se mojan, son impermeables, gracias a miles de pelos diminutos crecidos de tal forma que permiten aislar el agua. También sus patas tienen una cera que mejora el aislamiento. El insecto salta sobre el agua aprovechando su tensión superficial, a 25 °C. Es un fenómeno físico ya conocido en los líquidos, que equivale a una película elástica. La zancada genera fuerzas de inercia en el agua, que permiten soportar el peso del insecto.

El RoboStrider no rompe la superficie líquida a pesar de una velocidad de patas de 18 cm/s, igual que el hemíptero Gerridae. Pero sus movimientos no son tan elegantes como los de Gerridae: avanza 20 cm haciendo 5 zancadas, con saltos de hasta 14 cm.

El RoboStrider mide 2 cm de longitud (Figura 1), con patas de hasta 5 cm y un peso muy reducido: 68 miligramos. Sus patas están recubiertas con un líquido hidrofóbico, repelente del agua, que impide que durante la zancada éstas se hundan. Se ha respetado el diseño inteligente del Guerridae, por eso el RoboStrider tiene también sólo 4 patas articuladas con sus curvaturas pedestres. Hay que recordar que existen artrópodos recubiertos de una capa repelente al agua que, sin hacer ningún esfuerzo, flotan en el agua, gracias a su tensión superficial, superior al peso del insecto.

Para copiar al Aquarius paludum, en Seúl hizo falta investigar su hidrodinámica, copiar un mecanismo impulsivo, que transfiera al agua un momento de fuerza máximo, una fuerza algo inferior a la tensión superficial (144 mN/m). Los artrópodos saltan porque su cuerpo tiene un peso mínimo y sus patas superhidrofóbicas, con pies curvos, producen pequeños hundimientos en la superficie sin romperla, sin alcanzar los 144 mN/m. La masa del zapatero es pequeña en comparación con la tensión superficial. Las patas no penetran la superficie líquida, pero en una mala actuación, con prisas, el zancudo flota, y a continuación inicia el salto, transfiriendo al agua un momento de fuerza adecuado. Para iniciar el salto las patas giran hacia adentro, hacia la vertical. Recuerda la catapulta de torsión militar, el muelle que se comprime y se dilata, una maniobra rápida de milisegundos. Pero el mecanismo no es complejo. La longitud de las patas es un factor crítico: el 170% de la longitud del cuerpo.

Recordemos las leyes 2ª y 3ª de Newton, de la Mecánica Clásica, que el Aquarius paludum cumple con exactitud. La 2ª ley es la Ley de Aceleración o Ley de Fuerza, que dice que cuando se aplica una fuerza a un objeto, éste se acelera. Dicha aceleración es en dirección a la fuerza, y es proporcional a su intensidad, e inversamente proporcional a la masa que se mueve. Si sobre un cuerpo en movimiento actúa una fuerza neta, esta fuerza modificará el estado de movimiento, cambiando la velocidad de módulo o dirección. Los cambios experimentados en la cantidad de movimiento de un cuerpo son proporcionales a la fuerza motriz, y se desarrollan en la dirección de ésta. La fuerza produce la aceleración en el cuerpo.

La zancada hacia abajo del Aquarius paludum genera una fuerza vertical de reacción, suficiente para separar las patas del agua. Es conveniente que el hundimiento de la superficie bajo la zancada sea el mayor que permita la tensión superficial. Los pies del robot tienen una superficie mínima y, además, no se mojan, lo cual requiere un salto muy rápido. La carga soportada por un objeto flotante es igual al peso del agua desplazada.

La 3ª Ley de Newton es la Ley de Acción y Reacción, es decir, para cada acción existe una reacción igual y opuesta. Esta ley expone que por cada fuerza que actúa sobre un cuerpo éste realiza una fuerza de igual intensidad y dirección, pero de sentido contrario sobre el cuerpo que la produce. Las fuerzas siempre se presentan en pares de igual magnitud y sentido opuesto y están situadas sobre la misma recta.

En el caso que nos ocupa, cuando el Aquarius paludum golpea al agua con su zancada, y hunde un poco su superficie, el agua responde con una fuerza vertical, de igual magnitud, que levanta al insecto hasta 14 cm. El pequeño hundimiento del agua genera una reacción vertical opuesta de 9,27 mN.

Si un caballo tira de una piedra, el caballo es igualmente tirado por la piedra hacia atrás, porque la cuerda, que tiende por el esfuerzo a soltarse, tirará del caballo hacia la piedra, tanto como la piedra lo haga hacia el caballo, e impedirá el progreso de uno tanto como avanza el otro.

La fabricación del RoboStrider, con sus músculos artificiales y articulaciones delgadas y flexibles, de níquel-titanio, ha precisado un microscopio y un láser ultravioleta, algo parecido a la nanofabricación. El robot en sus movimientos usa una nanobatería. Gracias al RoboStrider ahora conocemos mejor los insectos semiacuáticos.

Referencias

• Koh Je-Sung. Jumping on water: surface tension-dominated jumping of water striders and robotic insects. Science. 31 july 2015.
• David L. Hu. The hydrodynamics of water strider locomotion. Nature. 424, 663-666.2003.
• Dominique Vella. Two leaps forward for robot locomotion. Science. 31 july 2015. 473-474.