Estabilización después de choques de cabeza – ScienceDaily

La cola de un gecko es una cosa maravillosa y versátil.

En más de 15 años de investigación sobre geckos, científicos de la Universidad de California, Berkeley y, más recientemente, el Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes en Stuttgart, Alemania, han demostrado que los geckos usan sus colas para maniobrar en el aire cuando se deslizan entre árboles, para enderezarse al caer, para evitar caerse de un árbol cuando pierden el agarre e incluso para impulsarse por la superficie de un estanque, como si caminaran sobre el agua.

Muchas de estas técnicas se han implementado en robots ágiles similares a los gecos.

Pero Robert Full, profesor de biología integrativa de UC Berkeley, y Ardian Jusufi, miembro de la facultad de la Escuela de Investigación Max Planck para Sistemas Inteligentes y ex estudiante de doctorado de UC Berkeley, quedaron impresionados por un descubrimiento reciente: los geckos también usan sus colas para ayudar a recuperarse cuando llevan un encabezado a un árbol.


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Esos choques de cabeza probablemente no sean el aterrizaje preferido de los geckos, pero Jusufi documentó muchos de esos aterrizajes duros en 37 deslizamientos durante varias temporadas de campo en una selva tropical de Singapur, utilizando cámaras de video de alta velocidad para registrar sus trayectorias y aterrizajes que provocan una mueca de dolor. Él registró su velocidad en el impacto a unos 6 metros por segundo, o 21 kilómetros por hora, más de 200 pies por segundo, o alrededor de 120 longitudes corporales de gecko por segundo.

“Observar a los geckos desde una altura en el dosel de la selva fue revelador. Antes del despegue, movían la cabeza hacia arriba y hacia abajo y de lado a lado para ver el objetivo de aterrizaje antes de saltar, como si quisieran estimar la distancia de viaje “, dijo Jusufi.

Los videos muestran que cuando este gecko, el gecko común asiático de cola plana, Hemidactylus platyurus – choca de frente con un árbol, agarra el tronco con sus dedos en garras y acolchados para que, cuando rebote la cabeza y los hombros, tenga palanca para presionar su cola contra el tronco para evitar que se caiga hacia atrás al suelo y potencialmente terminando como la cena de alguien.

“Lejos de detenerse, algunos de estos lagartos todavía se están acelerando con el impacto”, dijo Jusufi. “Se estrellan de cabeza, se echan hacia atrás cabeza abajo en un ángulo extremo con respecto a la vertical, parecen un estante de libros que se aleja del árbol, anclados solo por las patas traseras y la cola a medida que disipan la energía del impacto. Con la caída … reflejos de detención que ocurren tan rápido que solo el video en cámara lenta podría revelar el mecanismo subyacente “.

Este comportamiento sorprendente, y una demostración de que los robots con colas que actúan de manera similar también pueden recuperarse con éxito de aterrizajes forzosos, se informará esta semana en el Naturaleza diario Biología de las comunicaciones. Aunque este tipo de aterrizaje forzoso de cabeza no se ha documentado previamente entre geckos u otros animales que se deslizan, los científicos sospechan que otros saltadores pequeños y livianos, en particular, otros lagartos, lo usan como respaldo cuando un salto perfecto es imposible.

“Pueden tener deslizamientos más largos que son más de equilibrio y aterrizan de manera diferente, pero, por ejemplo, si están tratando de escapar, eligen realizar este tipo de comportamiento, en parte porque el tamaño importa”, dijo Full, señalando que las lagartijas miden solo un par de pulgadas desde el hocico hasta la punta de la cola. “Cuando eres tan pequeño, tienes opciones que no son soluciones para cosas grandes. Entonces, esta es una especie de solución mediada por el cuerpo que no tienes si eres más grande”.

Jusufi y Full señalan que las estructuras similares a las colas de gecko podrían usarse para ayudar a estabilizar los robots voladores, como los drones, cuando aterrizan en superficies verticales.

Según los investigadores, este comportamiento inusual, que son los primeros en documentar, modelar matemáticamente y reproducir en un robot blando, es un ejemplo de cómo una innovación evolutiva como una cola puede usarse de formas imprevistas. Las colas de los vertebrados evolucionaron en los animales acuáticos, probablemente como un medio de propulsión en el agua, algo que Jusufi también estudia y modela con robots blandos que ondulan. Pero la cola resultó ser algo tan versátil que el lagarto desarrolló varias exaptaciones, un término para las estructuras que fueron moldeadas por selección natural para una función o adaptación en particular, pero que se han utilizado para otros comportamientos.

“Las exaptaciones son estructuras que han sido cooptadas para muchos comportamientos, sin importar para qué evolucionó originalmente esa estructura, y aquí hay una que no se esperaría”, dijo Full. “Se puede ver cómo esa increíble capacidad de ser robusto puede permitir estas exaptaciones”.

“Hasta hace poco, las colas no habían recibido tanta atención como las patas o las alas, pero la gente ahora se está dando cuenta de que deberíamos pensar en estos animales como de cinco patas, en cierto modo, pentapedales”, dijo Jusufi.

Full dijo que a medida que los ingenieros robóticos intentan agregar más y más funciones a los robots, se dan cuenta de que no pueden introducir una pieza nueva para cada capacidad. Una cola es una estructura que, como descubrieron los lagartos, puede tener múltiples propósitos.

“A medida que evolucionamos nuestros robots y sistemas físicos, todos los ingenieros quieren hacer más cosas. ¿Y adivinen qué? En algún momento, no se puede optimizar un robot para todo”, dijo. “Tienes que usar cosas para otros comportamientos a fin de obtener esos comportamientos”.

Una catapulta de robot

En Singapur, Jusufi y sus colegas utilizaron cámaras de alta velocidad para grabar a los geckos saltando a árboles que estaban demasiado cerca para permitir el deslizamiento. Aunque el gecko de cola plana no está particularmente adaptado al deslizamiento (algunos geckos tienen aletas de piel que son como paracaídas), tiene cierta capacidad para deslizarse y, por lo tanto, maniobrar en el aire. Pero planear requiere alcanzar una velocidad terminal para que el lagarto pueda maniobrar en el aire, y los saltos no fueron lo suficientemente largos para eso.

Incapaces de deslizarse o reducir la velocidad deteniéndose antes de aterrizar, los geckos chocaron con fuerza, generalmente de cabeza. Cuando analizaron las trayectorias y la mecánica de los geckos que caían, los investigadores encontraron que algunos todavía estaban acelerando al impactar. La mayoría no pudo sostener el árbol con las patas delanteras.

“Nuestras observaciones de campo de estos pequeños y ágiles lagartos en la selva tropical revelaron respuestas altamente dinámicas y de detención de caídas que nadie pensó que estos geckos podrían ejecutar con sus colas”, dijo Jusufi. “Nuestras observaciones de campo sugieren que exacerbaron el comportamiento de la cola que se cree que es para trepar a posarse después de planear el vuelo”.

Los investigadores modelaron el comportamiento matemáticamente para confirmar que lo que estaban viendo tenía sentido físicamente, pero para determinar realmente qué estaban experimentando los geckos, decidieron construir un robot blando en el Instituto Max Planck que se asemeja a un gecko y lanzarlo con una catapulta a la pared. De esta manera, podrían medir las fuerzas que realmente sostienen los geckos cuando se estrellan, y las fuerzas producidas por los pies.

Construyeron el robot con cola a partir de piezas fabricadas con una impresora 3D de última generación, Carbon M2, que está diseñada específicamente para imprimir estructuras blandas. Los pies estaban equipados con velcro para que se adhirieran al contacto, y a la cola le agregaron un mecanismo que lo haría presionar hacia abajo cuando las patas delanteras golpearan una superficie y se deslizaran, como el reflejo de la cola del gecko.

Sorprendentemente, el robot con cola tuvo un éxito similar al realizar aterrizajes duros. En la naturaleza, el 87% de los geckos con cola aterrizaron con éxito en una superficie vertical sin caer, mientras que los geckos sin cola cayeron con mayor frecuencia. (Los geckos a menudo pierden la cola para escapar de los depredadores o sus rivales, y los vuelven a crecer más tarde). Los robots sin cola solo pudieron aterrizar con éxito en una superficie vertical en el 15% de las pruebas, en comparación con el 55% de las pruebas con el robot con cola.

Los investigadores también encontraron que, más allá de cierta longitud, las colas más largas no son necesariamente mucho mejores que las colas más cortas: los robots con colas de solo la mitad de la longitud de la cabeza y el cuerpo combinados fueron casi tan exitosos como aquellos con colas iguales al hocico. longitud de ventilación. Los robots de cola corta, sin embargo, requerían el doble de la fuerza del pie para permanecer unidos al árbol.

Full y Jusufi continúan estudiando el comportamiento de los geckos en busca de principios que puedan aplicarse al diseño de robots, en particular, robots blandos que pueden posarse en árboles y aterrizar en superficies verticales, pero también para explorar los orígenes evolutivos de locomoción animal. Una conclusión clave, dijo Full, es que, si bien los ingenieros pueden buscar diseñar el robot óptimo, la naturaleza nunca lo hace.

“La evolución no se trata de la optimización y la perfección, sino que se trata de la suficiencia. La solución justamente buena realmente juega para brindarle una amplia gama de capacidades para que sea mucho más robusto en entornos desafiantes”, dijo Full. “La evolución se parece más a un modificador que nunca sabe realmente lo que producirá y utiliza todo lo que está a su disposición para hacer algo que sea viable”.

“Los pequeños animales arbóreos sin adaptaciones morfológicas obvias para el vuelo exhiben cada vez más una capacidad sorprendente para maniobrar en el aire. Los modelos físicos robóticos suaves pueden ayudar a descifrar el control de tales soluciones mediadas mecánicamente para el aterrizaje”, dijo Jusufi.

Video de gecko y robot que muestra el efecto de una cola: https://www.youtube.com/watch?v=LXRAWypJBPI&t=3s