El cambio climático está calentando las aguas oceánicas y aumentando su acidez debido a la absorción de dióxido de carbono de la atmósfera. Esto pone en peligro a diversas especies marinas, lo que hace vital monitorear esos cambios. Sin embargo, alcanzar las aguas más profundas puede ser un desafío sin el equipo adecuado, que suele ser muy costoso. Las medusas luna pueden nadar a esas profundidades, convirtiéndose en aliadas potenciales para estudiar el océano profundo.
Por esta razón, investigadores de la Universidad de Colorado en Boulder han desarrollado medusas “cyborg” equipadas con pequeños dispositivos microelectrónicos, con el objetivo de recopilar datos críticos sobre temperatura, acidez y otras propiedades relevantes. Para mejorar sus creaciones híbridas, el equipo ha estado estudiando la biomecánica de la natación de las medusas. Su investigación también implica analizar los patrones de flujo de agua generados por las medusas nadadoras utilizando partículas biodegradables de almidón, según un artículo reciente publicado en la revista Physical Review Fluids.
La creación de criaturas biohíbridas es un campo bien establecido. Por ejemplo, como se informó anteriormente, los científicos han estado interesados en el potencial de los insectos cyborg desde la década de 1990, cuando investigadores comenzaron a implantar pequeños electrodos en las antenas de las cucarachas y a electrocutarlas para dirigir sus movimientos. La idea era usarlas como robots híbridos para aplicaciones de búsqueda y rescate.
En 2015, científicos de Texas A&M encontraron que implantar electrodos en el ganglio de una cucaracha (el grupo de neuronas que controla sus patas delanteras) era muy efectivo para dirigirlas con éxito el 60% de las veces. Equiparon a las cucarachas con pequeñas mochilas sincronizadas con un control remoto y administraron descargas eléctricas para interrumpir el equilibrio del insecto, obligándolo a moverse en la dirección deseada.
En 2021, científicos de la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur transformaron cucarachas quejumbrosas de Madagascar en cyborgs, implantando electrodos en órganos sensoriales conocidos como cerci que luego se conectaron a pequeñas computadoras. Aplicar corriente eléctrica les permitió dirigir las cucarachas con éxito el 94% de las veces en simulaciones de desastres en el laboratorio.
Y a principios de este año, científicos japoneses transformaron cigarras en insectos cyborg capaces de “tocar” el Canon de Pachelbel. La idea es que las cigarras cyborg podrían utilizarse algún día para transmitir mensajes de advertencia durante emergencias. Hijackearon los timbales de las cigarras machos al adjuntar electrodos para crear altavoces híbridos insecto-computadora. Una interfaz de usuario enviaba señales eléctricas a través de un circuito amplificador y luego a los electrodos en las cigarras. Los micrófonos grababan sus chirridos en respuesta. Eventualmente, el equipo logró inducir a las cigarras a producir notas musicales específicas en más de tres octavas para “tocar” melodías reconocibles.
Nadando con medusas
Ahora, se han desarrollado medusas luna biohíbridas. Nicole Wu, una ingeniera de CU Boulder, construyó su primera medusa cyborg en 2020, probándolas en las aguas poco profundas de la costa de Woods Hole en Massachusetts. Describe el sistema como un marcapasos para el corazón, estimulando eléctricamente los músculos de natación de las medusas para causar contracciones, dirigiéndolas en una dirección preferida. Aunque las medusas luna no tienen cerebro ni médula espinal, poseen redes nerviosas rudimentarias que son adecuadas para los propósitos de Wu.
“Hay algo realmente especial en la forma en que nadan las medusas luna”, dijo Wu, describiéndolas como uno de los animales más eficientes en términos de energía en el planeta. “Queremos desbloquear eso para crear vehículos submarinos de próxima generación más eficientes en energía.”
Comprender los remolinos y vórtices que producen las medusas al nadar es crucial, según Wu y su equipo. La velocimetría de imágenes de partículas (PIV) es una herramienta vital para estudiar fenómenos de flujo y propulsión biomecánica. PIV rastrea partículas trazadoras diminutas suspendidas en el agua iluminándolas con luz láser. La técnica generalmente depende de esferas de vidrio huecas, perlas de poliestireno, escamas de aluminio o gránulos sintéticos con recubrimientos ópticos especiales para mejorar la reflexión de la luz.
Estas partículas son fácilmente disponibles y tienen el tamaño y la densidad adecuados para mediciones de flujo, pero son muy costosas, llegando a costar hasta $200 por libra en algunos casos. Además, tienen riesgos asociados para la salud y el medio ambiente: las microsferas de vidrio pueden causar irritación en la piel o los ojos, y no es recomendable inhalar perlas de poliestireno o escamas de aluminio. También son indigeribles para los animales y pueden causar daños internos. Se han propuesto varias opciones biodegradables, como células de levadura, leche, microalgas y almidón de papa, que son fácilmente disponibles y económicas, con un costo de tan solo $2 por libra.
Wu consideró que las partículas de almidón eran las más prometedoras como trazadores biodegradables y decidió estudiar varios tipos de almidones para identificar el mejor candidato: específicamente, almidón de maíz, almidón de arrurruz, polvo de hornear, perlas de jojoba y polvo de cáscara de nuez. Cada tipo de partícula fue suspendido en tanques de agua con medusas luna, rastreando su movimiento con un sistema PIV. Evaluaron su rendimiento en función del tamaño, la densidad y las propiedades de dispersión láser de las partículas.
De los diversos candidatos, el almidón de maíz y el almidón de arrurruz demostraron ser los más adecuados para aplicaciones PIV, gracias a su densidad y distribución uniforme de tamaño, mientras que el almidón de arrurruz tuvo el mejor rendimiento en las pruebas de dispersión láser. Sin embargo, el almidón de maíz sería adecuado para aplicaciones que requieren partículas trazadoras más grandes, ya que producía puntos de dispersión láser más grandes en los experimentos. Ambos candidatos igualaron el rendimiento de las partículas trazadoras PIV sintéticas comúnmente utilizadas en términos de visualización precisa de las estructuras de flujo resultantes de la natación de las medusas.
DOI: Physical Review Fluids, 2025. 10.1103/bg66-976x (Acerca de los DOI).
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