20 animales que resolvieron problemas en los que los humanos aún están trabajando

La biomimética, la práctica de estudiar sistemas biológicos para resolver problemas de ingeniería y diseño humano, es uno de los campos de más rápido crecimiento en la ciencia aplicada, y su premisa central es tanto humilde como práctica: que la evolución, operando a lo largo de cientos de millones de años y trillones de organismos, ha resuelto la mayoría de los problemas de ingeniería que enfrentan los diseñadores humanos, y que las soluciones están disponibles para estudio en cualquier bosque, océano o sabana en la Tierra. El desafío no es encontrar las soluciones. Es reconocerlas.

El cierre de velcro proviene de un estudio de los abrojos en 1941. El morro del tren bala, que reduce el ruido, fue rediseñado después de que un ingeniero que también era observador de aves notara que los martines pescadores entran al agua desde el aire sin producir salpicaduras, porque la geometría de su pico maneja la transición entre medios de diferentes densidades sin una onda de choque. Los sistemas de enfriamiento pasivo de los edificios en Zimbabue fueron diseñados al estudiar los montículos de termitas, que mantienen una temperatura interna constante de 31°C en un entorno que oscila entre 3°C por la noche y 42°C durante el día sin ningún sistema activo de control de temperatura.

Lo que conecta los 20 casos en esta lista no es solo que los animales tienen capacidades biológicas que los humanos aún no han replicado, aunque eso es cierto para todos ellos. Es que esas capacidades abordan problemas humanos específicos, activos y bien financiados: tratamiento del cáncer, ingeniería estructural, resistencia a los antibióticos, recolección de agua en desiertos, navegación sin GPS, ciencia de materiales, compresión de datos y vuelo eficiente en energía. En cada caso, la solución del animal ha sido estudiada por científicos e ingenieros y ha inspirado directamente una aplicación tecnológica o está siendo investigada activamente como base para una.

Cada entrada cubre al animal, el problema específico que ha resuelto, el mecanismo biológico de la solución y el estado del esfuerzo humano para comprenderlo o replicarlo. Las entradas no son especulativas. Todas las soluciones biológicas descritas aquí están documentadas en investigaciones revisadas por pares, y las aplicaciones humanas descritas están comercialmente desplegadas o en desarrollo activo.

Ltshears / Wikimedia Commons

La rata topo desnuda (Heterocephalus glaber) es el único mamífero conocido que nunca ha sido observado desarrollando cáncer en poblaciones de investigación controladas que abarcan décadas de estudio. En una especie cuyos miembros rutinariamente viven hasta 30 años, aproximadamente diez veces la vida útil de un ratón de tamaño comparable, y cuyas células se dividen continuamente a lo largo de una larga vida, la ausencia de cáncer es extraordinaria. La mayoría de los mamíferos acumulan cáncer a tasas que aumentan con la edad y el tamaño corporal; la rata topo desnuda parece haber resuelto el problema de la replicación celular fallida.

El mecanismo ha sido parcialmente identificado: las células de la rata topo desnuda producen una versión de alto peso molecular inusualmente alta de hialuronano, una molécula de azúcar que rodea las células, que desencadena una inhibición de contacto temprana (las células dejan de dividirse cuando se contactan entre sí) a una densidad celular más baja que en otros mamíferos. Esta inhibición de contacto temprana previene la proliferación celular descontrolada que caracteriza al cáncer. Un estudio de 2013 en Nature confirmó este mecanismo y descubrió que la ingeniería de células de ratón para producir la versión de hialuronano de la rata topo desnuda redujo significativamente su tasa de transformación cancerosa.

Investigadores de la Universidad de Rochester, donde se ha llevado a cabo gran parte del trabajo sobre la resistencia al cáncer de la rata topo desnuda, están investigando si la activación farmacéutica de mecanismos similares de inhibición temprana del contacto en células humanas podría producir efectos protectores contra el cáncer. La solución de la rata topo desnuda ha existido durante millones de años; el esfuerzo humano para entenderla y aplicarla tiene aproximadamente 15 años.

Barry Peters / Wikimedia Commons (CC BY 2.00)

El camarón mantis (Stomatopoda) tiene el sistema visual más complejo de cualquier animal conocido: 16 tipos de fotorreceptores en comparación con tres en los humanos, con la capacidad de detectar luz polarizada, luz ultravioleta e infrarroja, y con un sistema de procesamiento visual que identifica colores y estados de polarización periféricamente en lugar de requerir procesamiento central en el cerebro. La capacidad específica que los ingenieros humanos están tratando de replicar activamente es su detección de luz polarizada.

Los ojos del camarón mantis pueden detectar luz polarizada circularmente — luz que rota en una hélice — la cual los instrumentos ópticos humanos solo pueden detectar con equipos complejos y costosos. Muchos animales marinos usan luz polarizada circularmente para comunicación y camuflaje, y la habilidad del camarón mantis para verla con una estructura biológica que cabe en un ojo ha atraído un interés significativo en ingeniería.

Investigadores de la Universidad de Queensland y otros lugares han desarrollado sensores compactos de luz polarizada inspirados en la estructura del ojo del camarón mantis que son significativamente más pequeños y más sensibles que la óptica de polarización convencional. Las aplicaciones incluyen una mejor detección del cáncer (las células cancerosas reflejan la luz polarizada de manera diferente a las células sanas), una mejor navegación submarina y sistemas de telecomunicaciones que usan luz polarizada para aumentar la capacidad de transmisión de datos. La estructura ocular del camarón mantis ha estado en desarrollo durante cientos de millones de años; las aplicaciones de ingeniería que está inspirando están comenzando a llegar al despliegue comercial.

Francesco Ungaro / Pexels

Las ballenas jorobadas (Megaptera novaeangliae) tienen grandes tubérculos irregulares — protuberancias redondeadas — a lo largo de los bordes delanteros de sus aletas pectorales. Durante la mayor parte de la historia de la dinámica de fluidos, se entendió que las irregularidades en el borde de ataque en las superficies de alas o cuchillas aumentaban la resistencia y reducían la elevación. El tubérculo de la ballena jorobada parece hacer lo contrario: la investigación publicada en Physics of Fluids en 2004 encontró que el patrón de tubérculos reduce la resistencia y aumenta la elevación, particularmente en ángulos de ataque altos donde las formas de alas convencionales se detienen.

El mecanismo: los tubérculos crean canales de agua de flujo más rápido entre ellos que energizan la capa límite, la delgada capa de fluido de movimiento lento que se adhiere a una superficie y cuya separación de esa superficie causa la pérdida de sustentación. Al mantener la adherencia de la capa límite en ángulos de ataque más altos, el patrón de tubérculos retrasa la pérdida de sustentación y permite que la ballena maniobre en círculos más estrechos de lo que su tamaño y forma de aleta permitirían de otra manera.

WhalePower Corporation licenció la tecnología de tubérculos y ha producido palas de turbinas eólicas, palas de ventiladores y palas de turbinas hidroeléctricas que incorporan el patrón de tubérculos, todas mostrando mejoras de eficiencia medibles en comparación con equivalentes de bordes lisos. El patrón de tubérculos también se ha aplicado a alas de aviones, hélices y embarcaciones marinas, con hallazgos consistentes de reducción de resistencia y mejora del rendimiento en ángulos de ataque altos. La aleta de la ballena jorobada ha estado en servicio durante aproximadamente 30 millones de años.

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La capacidad del gecko para caminar por superficies de vidrio verticales y colgarse del techo se produce gracias a millones de estructuras microscópicas parecidas a pelos (setas) en sus almohadillas del pie, cada una de las cuales se ramifica en cientos de puntas aún más pequeñas con forma de espátula (espátulas) que hacen contacto íntimo con cualquier superficie y se adhieren mediante fuerzas de van der Waals — las débiles fuerzas atractivas intermoleculares que son individualmente insignificantes pero colectivamente suficientes para soportar el peso del gecko miles de veces.

El mecanismo de adhesión de van der Waals depende de la dirección (se activa bajo fuerza de corte y se libera al tirar), se auto-limpia (los contaminantes no se acumulan porque las espátulas se vuelven a unir a superficies limpias preferentemente) y funciona en prácticamente cualquier superficie sin el residuo de adhesivos convencionales. Los ingenieros humanos han estado tratando de replicarlo desde que se identificó el mecanismo en 2002.

Se han desarrollado varios adhesivos sintéticos de gecko — Geckskin en la Universidad de Massachusetts, Adhesivo Seco Controlado Direccionalmente en Stanford — que replican la adhesión dependiente de la dirección sin residuos del dedo del gecko. Las aplicaciones incluyen robots trepadores (DARPA ha financiado investigaciones de robots trepadores por paredes inspirados en geckos), adhesivos médicos que pueden usarse en tejido húmedo sin residuos y sistemas de cinta reutilizables. El dedo del gecko ha sido refinado durante aproximadamente 100 millones de años de evolución; las versiones sintéticas humanas tienen aproximadamente 20 años y aún no han igualado completamente el rendimiento del gecko en todos los tipos de superficie.

Chan T. Y. & Lin C. W. / Wikimedia Commons (CC BY 4.0)

El camarón pistola (familia Alpheidae) chasquea una garra agrandada tan rápidamente — cerrando en aproximadamente 700 microsegundos — que produce una burbuja de cavitación: una región de tan baja presión que el agua se vaporiza momentáneamente, produciendo una burbuja que colapsa con una onda de choque que alcanza temperaturas excediendo brevemente los 5,000 Kelvin (más caliente que la superficie del sol), un destello de luz y una onda de presión que aturde o mata a las presas a distancia.

El camarón pistola ha resuelto el problema de utilizar la cavitación como un arma controlada y dirigida — un problema que los ingenieros humanos no han resuelto a escala y eficiencia comparables. Los ingenieros navales han estudiado la cavitación principalmente como un problema a evitar (daña las hélices de los barcos y los impulsores de las bombas) en lugar de como un mecanismo de arma, pero la capacidad del camarón pistola para generar cavitación controlada con una estructura biológica sugiere posibilidades para aplicaciones de ondas de presión dirigidas.

El mecanismo biológico es actualmente estudiado principalmente por investigadores interesados en la física de la cavitación y en las propiedades del material de la garra, que sobrevive al choque mecánico repetido de chasquear sin fallo por fatiga — un logro de ciencia de materiales que los ingenieros han investigado para aplicaciones en estructuras resistentes al impacto.

Katya / Wikimedia Commons (CC BY-SA 2.0)

El escarabajo bombardero (tribu Brachinini) produce un rocío hirviente y cáustico como mecanismo de defensa — un arma química binaria ensamblada a partir de dos reactantes separados (hidroquinonas y peróxido de hidrógeno) que se almacenan en cámaras separadas y se mezclan en una cámara de reacción solo cuando el escarabajo activa la defensa. La reacción produce benzoquinonas a aproximadamente 100°C y las expulsa en un rocío de pulsos rápidos (aproximadamente 500 pulsos por segundo) a una temperatura lo suficientemente alta como para disuadir a la mayoría de los depredadores.

El mecanismo de pulso es el logro de ingeniería específico que los investigadores encuentran más notable: el sistema del escarabajo produce un rocío pulsado en lugar de uno continuo, utilizando una válvula que se abre y cierra rápidamente a medida que la presión se acumula y se libera. Esta entrega pulsada es más eficiente que un rocío continuo con el mismo aporte químico total, porque los pulsos mantienen alta temperatura en la boquilla utilizando menos reactante.

Investigadores del MIT y Leeds han estudiado el sistema de mezcla binaria y el mecanismo de pulso del escarabajo bombardero para aplicaciones que incluyen sistemas de inyección de combustible (mezcla más eficiente en la combustión), sistemas de supresión de incendios (tamaño y distribución de gota más efectivos) y sistemas de liberación de fármacos (liberación controlada en intervalos precisos). La ingeniería química del escarabajo ha estado en servicio durante aproximadamente 250 millones de años.

Schokraie E, et al. / Wikimedia Commons (CC BY 2.5)

Los tardígrados (Tardigrada) — los animales microscópicos de ocho patas a veces llamados osos de agua — sobreviven a la desecación completa (pérdida de toda el agua corporal), temperaturas de casi cero absoluto a 150°C, vacío, altas dosis de radiación ionizante y extremos de presión que matarían a cualquier otro animal conocido. Logran esto entrando en un estado llamado criptobiosis, en el cual el metabolismo prácticamente cesa, el cuerpo reemplaza el agua con un azúcar llamado trehalosa que estabiliza las estructuras celulares, y una clase de proteínas llamadas proteínas intrínsecamente desordenadas forma una matriz similar al vidrio alrededor y dentro de las células que previene el daño estructural durante la desecación.

El mecanismo de supervivencia a la desecación del tardígrado es de gran interés para los investigadores que trabajan en el almacenamiento de vacunas y productos farmacéuticos, la preservación de órganos y la supervivencia de materiales biológicos en el espacio. Las vacunas actuales y muchos fármacos biológicos requieren refrigeración a lo largo de su cadena de suministro — un desafío logístico y de costo significativo en entornos de bajos recursos a nivel mundial. Un mecanismo de supervivencia a la desecación que preservara la potencia de la vacuna a temperatura ambiente sería transformador.

Investigadores de la Universidad de Wisconsin y otros lugares han insertado proteínas de desecación de tardígrados en células humanas y han encontrado que confieren resistencia a la desecación medible — lo que sugiere que la solución molecular del tardígrado es al menos parcialmente transferible. Las aplicaciones están en investigación en etapas tempranas; la solución del tardígrado ha estado en servicio durante aproximadamente 500 millones de años.

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La seda de araña es simultáneamente más fuerte que el acero por peso, más elástica que el nylon y biodegradable, una combinación de propiedades mecánicas que ningún material diseñado por humanos ha replicado completamente. La seda de arrastre, la seda estructural que las arañas usan para los radios de las telarañas, tiene una resistencia a la tracción de aproximadamente 1.3 GPa y puede estirarse al 140% de su longitud original antes de romperse. La seda espiral de captura es aún más elástica.

Las propiedades mecánicas emergen de la estructura proteica específica de la seda de araña: una disposición jerárquica de regiones cristalinas de láminas beta (responsables de la fuerza) y regiones amorfas (responsables de la elasticidad) en múltiples escalas, desde el nivel molecular hasta el nivel de la fibra. La combinación de propiedades se produce por el proceso de hilado, que alinea las cadenas proteicas bajo tensión controlada a medida que la seda sale del hilador.

El desafío de replicar la seda de araña ha ocupado a los científicos de materiales durante décadas. Las arañas no pueden ser cultivadas a gran escala (son territoriales y caníbales), por lo que se ha perseguido la producción recombinante de proteínas de seda en bacterias, levaduras y cabras transgénicas (cuya leche contiene proteínas de seda). Bolt Threads y Spiber han producido materiales de seda de araña recombinante a escala comercial; las propiedades mecánicas de las versiones sintéticas se acercan pero aún no han igualado a la seda de araña natural. Las aplicaciones incluyen suturas médicas, ropa protectora, componentes aeroespaciales y materiales estructurales biodegradables.

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La piel de tiburón está cubierta con estructuras microscópicas similares a dientes llamadas dentículos dérmicos (o escamas placoides) que reducen el arrastre al interrumpir la capa límite turbulenta del agua que fluye sobre el cuerpo del tiburón, permitiendo nadar más rápido con menos gasto de energía. Los dentículos también evitan la adhesión de percebes, algas y microorganismos, una función antifouling autolimpiante que se logra sin ninguna química biocida.

El traje de baño Fastskin de Speedo, que dominó la natación competitiva en los Juegos Olímpicos de Pekín 2008 antes de ser prohibido por la FINA por proporcionar una ventaja competitiva demasiado grande, fue diseñado utilizando la geometría de los dentículos de la piel del tiburón. Los revestimientos de casco de barco basados en patrones de dentículos de piel de tiburón están en desarrollo comercial, apuntando a aproximadamente el 15% del consumo de combustible de un barco atribuible al biofouling (percebes y organismos que se adhieren al casco y aumentan el arrastre). A escala del transporte marítimo global, una reducción del 15% en el consumo de combustible representaría enormes ahorros de energía y carbono.

El sistema de dentículos dérmicos del tiburón se ha estado refinando durante aproximadamente 450 millones de años, produciendo una superficie que maneja la dinámica de fluidos y el biofouling simultáneamente sin necesidad de mantenimiento.

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El pez arquero (Toxotidae) caza escupiendo chorros de agua dirigidos con precisión a insectos en la vegetación por encima de la superficie del agua, derribándolos en el agua. El desafío de ingeniería específico que ha resuelto es la compensación balística por refracción: la luz se dobla cuando pasa del aire al agua, causando que la posición aparente de un objeto visto desde debajo del agua difiera de su posición real. El pez arquero compensa esta refracción automáticamente, alcanzando objetivos cuya posición real nunca ha observado directamente.

Investigaciones publicadas en Current Biology en 2012 encontraron que los peces arqueros no solo compensan la refracción sino que aprenden a ajustar su puntería cuando cambia el ángulo de ataque, demostrando una compensación geométrica flexible y aprendida que los investigadores anteriormente no atribuían a los peces. El pez también compensa la trayectoria parabólica del chorro de agua, teniendo en cuenta el efecto de la gravedad en la corriente.

Ingenieros que trabajan en visión por computadora y sistemas robóticos han estudiado la adquisición de objetivos del pez arquero como un modelo para sistemas que deben operar a través de límites de medios con diferentes propiedades ópticas, aplicaciones que incluyen drones submarinos que deben apuntar a objetos en la superficie y sistemas ópticos que deben compensar la refracción variable en condiciones atmosféricas o acuáticas.

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Las colonias de hormigas resuelven el problema del viajante — encontrar la ruta más corta que conecte múltiples puntos — mediante un proceso descentralizado llamado optimización por colonia de hormigas, en el que hormigas individuales depositan rastros de feromonas que refuerzan caminos más cortos (porque las hormigas que recorren caminos más cortos completan el circuito más rápido y depositan más feromonas por unidad de tiempo). Sin ningún cálculo central, la colonia converge en soluciones casi óptimas a problemas de enrutamiento que son intratables computacionalmente para los algoritmos humanos.

El algoritmo de optimización por colonia de hormigas, formalizado por Marco Dorigo en la década de 1990, es ahora una de las herramientas estándar en la optimización computacional y se utiliza en enrutamiento logístico, diseño de redes, predicción de estructura de proteínas y problemas de optimización combinatoria en numerosos campos. Los algoritmos logísticos de Google $GOOGL y Amazon $AMZN incorporan principios de optimización por colonia de hormigas.

El logro específico de la colonia de hormigas no es solo la eficiencia de enrutamiento sino la robustez de la optimización: la colonia se adapta en tiempo real a los cambios en el entorno (una fuente de alimento que desaparece, un camino que se bloquea) a través del mismo mecanismo de refuerzo de feromonas, manteniendo soluciones casi óptimas sin que ninguna hormiga individual tenga un mapa o un plan. Esta optimización adaptativa en tiempo real en un sistema distribuido sin controlador central es precisamente la arquitectura que los ingenieros que trabajan en infraestructura resiliente y sistemas autónomos están tratando de construir.

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El camarón mantis pavo real (Odontodactylus scyllarus) golpea a sus presas con un apéndice en forma de garrote que acelera a 10,400 g — más rápido que una bala de calibre .22 — y entrega una fuerza de golpe aproximadamente 1,000 veces el peso corporal del animal. El garrote en sí sobrevive a miles de estos golpes sin fracturarse, una hazaña de resistencia al impacto que ha atraído una atención significativa de la ingeniería de materiales.

La estructura del garrote ha sido analizada utilizando imágenes de rayos X $TWTR de sincrotrón y se ha encontrado que consta de tres regiones distintas: una superficie de impacto endurecida de hidroxiapatita (el mineral en el hueso), una región de fibras en patrón de espina de pescado que distribuye la onda de choque a través de la sección transversal del garrote sin propagación de grietas, y una región periódica de compuesto mineral-fibra que disipa la energía restante. La orientación de las fibras en espina de pescado es la innovación estructural específica en la que se han centrado los ingenieros de materiales.

Investigadores de la Universidad de California en San Diego han producido compuestos de fibra de carbono bio-inspirados utilizando la orientación de fibra en espina de pescado y han encontrado una mejor resistencia al impacto en comparación con las orientaciones de fibra convencionales. Las aplicaciones incluyen armaduras corporales militares, paneles de aeronaves y estructuras protectoras para edificios. El garrote del camarón mantis ha estado en servicio durante aproximadamente 400 millones de años.

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La anguila eléctrica (Electrophorus electricus) — en realidad un pez cuchillo en lugar de una anguila verdadera — genera descargas eléctricas de hasta 860 voltios y 1 amperio a partir de electrocitos: células especializadas derivadas de células musculares que funcionan como baterías biológicas, apiladas en serie en el cuerpo de la anguila para producir alto voltaje a partir de la muy pequeña diferencia de voltaje que cada célula genera. La anguila eléctrica ha resuelto el problema de generar alto voltaje a partir del potencial químico a escala biológica.

Investigadores de la Universidad de Michigan publicaron un trabajo en 2017 en Nature describiendo un órgano eléctrico artificial inspirado en la pila de electrocitos de la anguila eléctrica: una serie de cámaras de hidrogel que contienen soluciones alternas de alta y baja sal, produciendo 110 voltios a partir de una estructura que es suave, flexible y biocompatible. El órgano artificial es demasiado pequeño para alimentar dispositivos médicos implantados actualmente, pero representa una prueba de concepto para la generación de energía basada en materiales blandos e inspirados biológicamente.

La aplicación que impulsa la mayoría de la investigación: una fuente de energía biocompatible para dispositivos médicos implantados (marcapasos, interfaces neuronales, sistemas de administración de medicamentos) que podría reemplazar las baterías de litio rígidas que se utilizan actualmente, las cuales requieren reemplazo quirúrgico cuando se agotan. El sistema de generación de energía de la anguila eléctrica funciona con gradientes iónicos que se reponen continuamente mediante el metabolismo — una batería recargable que ha estado en operación continua durante la vida de la anguila.

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La hoja de loto (Nelumbo nucifera) repele el agua con una eficiencia casi perfecta: las gotas de agua se agrupan en esferas casi perfectas sobre la superficie de la hoja y se deslizan, llevando consigo cualquier polvo o contaminante, dejando la hoja perpetuamente limpia. Esta propiedad autolimpiadora — el efecto loto — se produce por una textura superficial a micro y nano escala de protuberancias cristalinas cerosas que minimizan el área de contacto entre la gota de agua y la superficie de la hoja, atrapando aire debajo de la gota y produciendo ángulos de contacto de aproximadamente 160 grados (las gotas de agua son casi perfectamente esféricas en la superficie).

El efecto loto es la aplicación de biomimética más desarrollada comercialmente en esta lista. La pintura exterior Lotusan de Sto AG, lanzada en 1999, incorpora la textura de la superficie de loto y se ha aplicado a millones de metros cuadrados de fachadas de edificios a nivel mundial, sin requerir limpieza porque el agua de lluvia elimina los contaminantes automáticamente. Los tratamientos de tela con efecto loto, los recubrimientos de vidrio y los acabados textiles autolimpiantes están disponibles comercialmente.

El frente de investigación activa está produciendo superficies con efecto loto que mantienen sus propiedades bajo desgaste mecánico — la capa cerosa de la hoja de loto se regenera continuamente desde abajo, reemplazando la estructura superficial desgastada, un mecanismo de auto-reparación que las superficies sintéticas con efecto loto aún no poseen.

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La sepia (Sepia) cambia el color, el patrón y la textura de su piel en aproximadamente 200 milisegundos — más rápido de lo que el ojo humano puede seguir completamente — utilizando una combinación de cromatóforos (células que contienen pigmento que se expanden y contraen bajo control muscular), iridóforos (células que producen color estructural a través de la interferencia de películas delgadas) y papilas (proyecciones musculares que cambian la textura de la piel). El resultado es un sistema de camuflaje dinámico de extraordinaria versatilidad que no tiene equivalente tecnológico a escala o velocidad comparable.

El desafío de replicar el camuflaje de la sepia es la integración del cambio de color, patrón y textura en un único sistema flexible — ópticas adaptativas que gestionan simultáneamente el pigmento, el color estructural y la topografía superficial. El ejército de los EE. UU. ha financiado una investigación significativa sobre el camuflaje adaptativo inspirado en la sepia, y los investigadores del MIT, Harvard y otros lugares han producido materiales que replican componentes individuales (capas que cambian de color, superficies que cambian de textura) sin integrar todavía los tres.

La demostración de camuflaje inspirada en la sepia más avanzada, publicada en Science en 2018 por investigadores de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, produjo un dispositivo optoelectrónico flexible que podía detectar autónomamente su fondo y ajustar su patrón para coincidir — una versión rudimentaria de la coincidencia de patrones autónoma de la sepia en un dispositivo de silicona rígida que no podía igualar la velocidad o flexibilidad de la sepia.

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El pájaro carpintero (familia Picidae) golpea un árbol a aproximadamente 6 a 7 metros por segundo, desacelerando a cerca de 1,000 g, hasta 20 veces por segundo durante horas, sin sufrir lesiones cerebrales o conmociones. La tolerancia humana para un impacto de 100 g es aproximadamente el umbral para una lesión cerebral traumática; el pájaro carpintero supera esto por un factor de diez en cada golpe y lo hace repetidamente sin daño acumulativo.

Los mecanismos de absorción de impacto del pájaro carpintero han sido analizados extensamente por investigadores motivados por el deseo de mejorar los cascos protectores y los sistemas de montaje antichoque de dispositivos electrónicos. El cráneo del pájaro carpintero contiene varias estructuras protectoras: un cráneo grueso con capas internas y externas de hueso desiguales que transfieren la energía del impacto al cerebro en una dirección tangencial en lugar de compresiva, un hueso hioides especializado (el hueso de la lengua) que envuelve casi completamente el cráneo y actúa como un cinturón de seguridad, longitudes de pico superior e inferior asimétricas que dirigen la fuerza compresiva lejos del cerebro, y un cerebro relativamente pequeño que encaja firmemente en el cráneo sin el espacio de fluido cerebroespinal que causa lesiones cerebrales humanas por impacto.

Ingenieros de la Universidad de California Berkeley han diseñado un sistema de absorción de impactos de múltiples capas inspirado en la anatomía protectora de múltiples capas del pájaro carpintero, demostrando una mejor resistencia al impacto para los discos duros. Los diseñadores de cascos han incorporado capas de distribución de impacto asimétricas inspiradas en el pájaro carpintero en cascos deportivos profesionales.

Péter Kövesi / Pexels

Muchas especies de aves migratorias — incluidas petirrojos europeos, currucas y palomas mensajeras — navegan utilizando el campo magnético de la Tierra con una precisión que las brújulas magnéticas humanas no pueden lograr a un tamaño o consumo de energía comparable. El mecanismo específico sigue siendo una de las preguntas más investigadas en biología sensorial: la hipótesis principal involucra el entrelazamiento cuántico de pares de electrones en proteínas criptocromo en los ojos de las aves, que el campo magnético influye de una manera dependiente de la dirección que el sistema visual del ave detecta como una superposición direccional en su campo visual.

La hipótesis de la brújula cuántica — que las aves usan efectos mecánicos cuánticos en moléculas biológicas para la detección magnética — es una de las pocas aplicaciones propuestas de la biología cuántica en un organismo macroscópico y ha atraído una atención significativa de físicos así como de biólogos. Si se confirma, representaría un sensor cuántico biológico operando a temperatura ambiente, lo cual ningún sensor cuántico diseñado por humanos puede hacer (los sensores cuánticos actuales requieren enfriamiento cercano al cero absoluto).

Investigaciones publicadas en Nature Chemistry en 2021 encontraron evidencia directa de que el mecanismo de la proteína criptocromo es sensible a los campos magnéticos a la escala relevante, fortaleciendo la hipótesis de la brújula cuántica. Los ingenieros que trabajan en dispositivos de detección cuántica están siguiendo de cerca la investigación de la navegación de aves, ya que un sensor cuántico biológico a temperatura ambiente representaría un avance significativo sobre el estado actual de la técnica.

Bachware / Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0)

Turritopsis dohrnii — una pequeña medusa de aproximadamente 4.5 mm de diámetro, encontrada en océanos templados y tropicales en todo el mundo — es el único animal conocido capaz de revertir a su etapa juvenil de pólipo después de alcanzar la madurez sexual, un proceso llamado transdiferenciación en el cual las células adultas diferenciadas revierten a un estado de célula madre pluripotente y se rediferencian en las células necesarias para reconstruir un organismo juvenil. El proceso puede repetirse indefinidamente — la medusa es biológicamente inmortal en el sentido de que puede ciclar entre adulto y juvenil indefinidamente bajo estrés.

El mecanismo biológico específico — transdiferenciación, en la cual una célula madura cambia su identidad para convertirse en un tipo de célula diferente — es de enorme interés para la medicina regenerativa y la investigación del envejecimiento. En la mayoría de los animales, las células diferenciadas (una célula muscular del corazón, una célula del hígado, una neurona) mantienen su identidad permanentemente, y la pérdida de función tisular con la edad refleja la acumulación de células dañadas que no pueden ser reemplazadas por nuevas del mismo tipo. Un mecanismo que pudiera dirigir a las células maduras a transdiferenciarse en los tipos de células requeridos para la reparación sería transformador.

La investigación sobre el mecanismo de transdiferenciación de Turritopsis dohrnii está en etapas tempranas — la medusa es difícil de mantener en condiciones de laboratorio y su genoma ha sido secuenciado recientemente. Un estudio de genómica comparativa de 2022 identificó genes asociados con la reparación del ADN y la transdiferenciación que están presentes en T. dohrnii a niveles de expresión más altos que en especies relacionadas. La medusa ha resuelto la inmortalidad biológica; el mecanismo está comenzando a ser entendido.

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El montículo de la termita africana Macrotermes michaelseni mantiene una temperatura interna de aproximadamente 31°C durante todo el año en un entorno externo que varía entre 3°C por la noche y 42°C durante el día — un logro de regulación de temperatura de gestión de oscilación de 39°C sin ningún sistema activo de calefacción o enfriamiento. El montículo es completamente pasivo, dependiendo de la geometría específica de túneles internos, chimeneas y ventilaciones para gestionar el flujo convectivo de aire a través de la estructura.

El arquitecto zimbabuense Mick Pearce estudió la arquitectura del montículo de Macrotermes al diseñar el Eastgate Centre en Harare, completado en 1996 — un gran complejo de oficinas y comercios que no utiliza aire acondicionado o calefacción convencional a pesar de las grandes oscilaciones diarias de temperatura de Harare. El sistema de enfriamiento pasivo del edificio, modelado según la geometría convectiva del montículo de termitas, usa aproximadamente el 10% de la energía que un edificio con aire acondicionado convencional de tamaño comparable usaría. Fue el primer edificio a gran escala diseñado explícitamente usando biomimética de montículo de termitas.

La innovación arquitectónica específica que proporcionan los montículos de termitas no es una característica única sino un sistema: la integración de la masa térmica (la tierra del montículo), la gestión del flujo de aire convectivo (la geometría de la chimenea y los túneles), y el control de la humedad (jardines de hongos que generan calor y consumen dióxido de carbono) en una estructura que gestiona el clima solo por medios pasivos. Los ingenieros que aplican este sistema a escala de edificio están trabajando a través de un espacio de diseño que las termitas han estado optimizando durante aproximadamente 50 millones de años.

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El albatros errante (Diomedea exulans) vuela decenas de miles de kilómetros a través del Océano Austral con una envergadura de hasta 3.5 metros y un gasto de energía tan bajo que, a velocidad de crucero, apenas supera la tasa metabólica en reposo del ave. Logra esto a través del vuelo dinámico, una técnica de vuelo que extrae energía del gradiente de viento sobre la superficie del océano, alternando entre subir a vientos más rápidos y descender a vientos más lentos en un patrón de ocho, convirtiendo la diferencia de velocidad del viento a diferentes altitudes en movimiento hacia adelante sin batir las alas.

La técnica de vuelo dinámico del albatros ha sido estudiada por ingenieros aeroespaciales desde la década de 1880, cuando Lord Rayleigh describió por primera vez la física, y sigue siendo el modo de vuelo autónomo más eficiente en términos de energía conocido. Un dron o planeador que use vuelo dinámico sobre el océano podría, en principio, volar indefinidamente sin ninguna fuente de energía más allá del gradiente de viento, una capacidad que sería transformadora para el monitoreo oceánico, la vigilancia marítima y la ciencia atmosférica de largo alcance.

Investigadores del MIT, la NASA y varias universidades han desarrollado drones autónomos capaces de realizar vuelo dinámico en condiciones oceánicas, demostrando una resistencia de vuelo mucho mayor que la de los equivalentes alimentados por batería. El albatros ha estado utilizando la misma técnica durante aproximadamente 30 millones de años, dominando la extracción de energía de un recurso, el gradiente de viento, que está continuamente disponible en la mayor parte de los océanos del mundo y que la aviación humana ha ignorado casi por completo.