Cómo un pájaro africano podría inspirar una mejor botella de agua

Un primer plano extremo de las plumas de un ave con una asombrosa capacidad para retener agua mientras vuela podría inspirar la próxima generación de materiales absorbentes.

Con microscopios de alta resolución y tecnología 3D, investigadores de la Universidad Johns Hopkins y el Instituto de Tecnología de Massachusetts capturaron una vista sin precedentes de las plumas de la ganga que habita en el desierto, mostrando la arquitectura singular de sus plumas y revelando por primera vez cómo pueden contener tanto. agua.

"Es súper fascinante ver cómo la naturaleza logró crear estructuras tan perfectamente eficientes para absorber y retener agua", dijo el coautor Jochen Mueller, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Civil y de Sistemas de Johns Hopkins, que se especializa en materiales inteligentes y diseño. "Desde una perspectiva de ingeniería, creemos que los hallazgos podrían conducir a nuevas creaciones bioinspiradas".

El trabajo esta publicado.en La interfaz de la Royal Society.

Las gangas que se encuentran en los desiertos africanos suelen anidar a unas 20 millas de los abrevaderos para mantenerse a salvo de los depredadores. Para llevar agua a los polluelos sedientos, los machos adultos realizan uno de los mejores ejemplos de la naturaleza: recolectar agua y volar a casa con ella, una hazaña aún más extraordinaria considerando que la ganga mantiene alrededor del 15 por ciento de su peso corporal en agua. y mantener la mayor parte segura durante un vuelo de regreso a casa a aproximadamente 40 mph que dura aproximadamente media hora.

Los machos de ganga son las únicas aves que se sabe que retienen agua de esta manera; las plumas de su vientre especialmente adaptadas son la clave.

Otros investigadores documentaron por primera vez estas extraordinarias plumas del vientre hace más de 50 años. Pero sólo ahora, con la tecnología moderna, el equipo podrá demostrar finalmente cómo funcionan las plumas.

Mueller y la ingeniera del MIT Lorna J. Gibson se concentraron en la microestructura de las plumas del vientre mediante microscopía electrónica de barrido, tomografía microcomputada, microscopía óptica y videografía en 3D, observando de cerca los ejes, cada uno de los cuales es solo una fracción del ancho de un cabello humano. y las bárbulas individuales aún más pequeñas.

El equipo magnificó enormemente las plumas, observándolas tanto secas como húmedas. Luego, en un movimiento tan delicado como crucial, mientras se magnificaba, las plumas secas se sumergieron en agua, se sacaron y luego se volvieron a sumergir, como una ganga en un abrevadero.

"Cuando haces ese tipo de trabajo, ni siquiera puedes respirar o lo pierdes", dijo Mueller.

Mueller describió la estructura de las plumas individuales como "magnífica", con componentes optimizados de varias maneras para retener y retener el agua, incluida la forma en que se doblan, cómo las bárbulas forman grupos protectores en forma de tiendas de campaña cuando están mojadas y cómo las estructuras tubulares dentro de cada bárbula capturan el agua.

Las plumas individuales retenían el agua a través de un bosque de bárbulas cerca del eje, trabajando juntas con las bárbulas rizadas cerca de la punta actuando casi como gorros.

"Eso es lo que nos emocionó, ver ese nivel de detalle", dijo Mueller. "Esto es lo que debemos entender para poder utilizar esos principios para crear nuevos materiales".

El equipo también modeló computacionalmente la ingesta de agua de las plumas.

Mueller y Gibson esperan que sus hallazgos respalden futuros diseños de ingeniería que requieran absorción controlada, retención segura y fácil liberación de líquidos.

Las posibles aplicaciones incluyen el diseño de redes para recolectar y retener agua de la niebla y el rocío en regiones desérticas; y una botella de agua diseñada para evitar molestos balanceos y chapoteo.

Para la botella de agua o la mochila deportiva, está pensando en un diseño que contenga una gran cantidad de líquido de manera segura, pero que incluya un sistema interno similar a una pluma que evita que el agua se balancee mientras alguien se mueve con ella. Él cree que los corredores apreciarían especialmente una mochila de hidratación o una bolsa de agua que pudiera hacer esto.

También imagina hisopos médicos de siguiente nivel que sean más fáciles de usar, "donde se puede absorber líquido de manera eficiente, pero es mucho más fácil liberarlo", dice, y agrega que la función de liberación fue un problema para recolectar la prueba nasal de COVID-19. muestras durante la pandemia.

A continuación, el equipo planea imprimir estructuras similares en 3D y buscar aplicaciones comerciales.

- Este comunicado de prensa se publicó originalmente en el sitio web de la Universidad Johns Hopkins.