Un nuevo estudio de una colaboración de investigación interdisciplinaria alemana, liderada por el Departamento de Inteligencia Háptica del Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes (MPI-IS), revela el secreto de la delicada destreza de la trompa del elefante. Los mil bigotes que cubren la trompa poseen propiedades materiales inusuales que resaltan el punto de contacto a lo largo de cada bigote, lo que les otorga un asombroso sentido del tacto que compensa su piel gruesa y su visión deficiente.
Recientemente publicada en Science con el título “Los gradientes funcionales facilitan la percepción táctil en los bigotes de los elefantes”, esta investigación reveló que los bigotes de los elefantes y los gatos domésticos tienen bases rígidas que se transforman en puntas suaves y gomosas, a diferencia de los bigotes uniformemente rígidos de las ratas y los ratones. Esta transición, conocida como gradiente funcional, permite a los elefantes y gatos rozar objetos con facilidad, ayuda a prevenir la rotura de los bigotes y proporciona una codificación de contacto única a lo largo de su longitud.
Los investigadores creen que este inusual gradiente de rigidez ayuda a los elefantes a saber con precisión dónde se produce el contacto a lo largo de cada uno de los 1000 bigotes de su trompa, lo que les permite realizar hazañas como agarrar una tortilla sin romperla o agarrar un cacahuete con precisión. El equipo de investigación busca inventar nuevas tecnologías de detección robótica inspiradas en los gradientes funcionales descubiertos en los bigotes de elefantes y gatos.
La investigación fue dirigida por el investigador postdoctoral Dr. Andrew K. Schulz y la profesora Katherine J. Kuchenbecker, del Departamento de Inteligencia Háptica del MPI-IS. Colaboraron con neurocientíficos de la Universidad Humboldt de Berlín y científicos de materiales de la Universidad de Stuttgart.
Schulz, autor principal del estudio y becario postdoctoral Alexander von Humboldt, habló sobre el inicio del proyecto: “Llegué a Alemania como experto en biomecánica de elefantes con el deseo de aprender sobre robótica y detección. Mi mentora, la profesora Kuchenbecker, es experta en háptica y robótica táctil, así que trabajar juntos en la detección táctil a través de la lente de los bigotes de los elefantes fue una conexión natural”.
Sondeo de bigotes con herramientas avanzadas
Schulz y sus colegas utilizaron una serie de técnicas biológicas, de ciencia de los materiales y de ingeniería para obtener imágenes y caracterizar bigotes de 5 cm de largo de elefantes y gatos hasta la escala de longitud de 1 nanómetro, que es una milmillonésima parte de un metro. El equipo interdisciplinario examinó los bigotes de la trompa de elefante para comprender su forma (geometría), su porosidad (porosidad) y su suavidad (rigidez del material). Inicialmente, esperaban que los bigotes de elefante fueran similares a los bigotes cónicos de ratones y ratas, que tienen una sección transversal circular, son completamente sólidos y presentan una rigidez aproximadamente uniforme. La microtomografía computarizada (Micro-CT) permitió a los investigadores medir la forma tridimensional de varios bigotes y demostró que los bigotes de elefante son gruesos y afilados, con una sección transversal aplanada, una base hueca y varios canales internos largos que se asemejan a la estructura de los cuernos de oveja y las pezuñas de caballo. Esta arquitectura porosa reduce la masa del bigote y proporciona resistencia al impacto, lo que permite a los elefantes comer cientos de kilogramos de comida todos los días sin preocuparse por dañar sus bigotes, que nunca vuelven a crecer.
Descubriendo el gradiente de rigidez
Se realizó la nanoindentación de bigotes de elefante y gato con un penetrador cúbico de diamante del tamaño de una sola célula, que se introducía cíclicamente en las paredes de los bigotes. La indentación realizada en la base y la punta de los bigotes de elefante y gato mostró una transición de una base rígida, similar al plástico, a una punta blanda, similar al caucho, que no podía indentarse permanentemente, una propiedad conocida como resiliencia. El equipo también comparó estos bigotes con el pelo corporal de los elefantes.
Schulz afirmó: “El pelo de la cabeza, el cuerpo y la cola de los elefantes asiáticos es rígido desde la base hasta la punta, justo lo que esperábamos al descubrir el sorprendente gradiente de rigidez de los bigotes de la trompa”. Si bien es emocionante, este descubrimiento desconcertó inicialmente al equipo, ya que no estaban seguros de cómo afectaría la sensibilidad táctil la variación de la rigidez a lo largo de un bigote.
De la varita impresa en 3D a la comprensión
Para intentar averiguar por qué, Schulz trabajó con colegas del MPI-IS para imprimir en 3D un bigote a escala con una base rígida y oscura y una punta suave y transparente. Tener este prototipo físico de “varita de bigote” ayudó a los investigadores a desarrollar su intuición sobre lo que siente la trompa de un elefante a través de sus bigotes
Schulz le dejó la varita a su mentora después de una reunión, y unos días después… ¡Eureka! Kuchenbecker llevaba la varita en la mano mientras caminaba por los pasillos del Instituto, golpeando suavemente las columnas y las barandillas. Relató: “Noté que al golpear la barandilla con diferentes partes de la varita, la sensación era distinta: suave y delicada en la punta, y aguda y fuerte en la base. No necesitaba mirar para saber dónde se producía el contacto; simplemente lo sentía”.
Las simulaciones revelan inteligencia encarnada
Para probar su hipótesis a partir de la varita de bigote impresa en 3D, los investigadores desarrollaron un conjunto de herramientas de modelado computacional para evaluar cómo los gradientes únicos de geometría, porosidad y rigidez medidos afectan la respuesta de un bigote al contacto. Las simulaciones demostraron que la transición de una base rígida a una punta blanda facilita la percepción del contacto a lo largo del bigote, lo que permite al elefante reaccionar adecuadamente y manipular con cuidado incluso objetos delicados, como totopos.
Schulz dijo: “¡Es asombroso! El gradiente de rigidez proporciona un mapa que permite a los elefantes detectar dónde se produce el contacto a lo largo de cada bigote. Esta propiedad les ayuda a saber qué tan cerca o lejos está su trompa de un objeto… todo ello integrado en la geometría, la porosidad y la rigidez del bigote. Los ingenieros llaman a este fenómeno natural inteligencia corpórea”. Curiosamente, los bigotes de los gatos domésticos muestran el mismo tipo de gradiente de rigidez.
Inspiración para la robótica y la neurociencia
Este descubrimiento entusiasma a Schulz y Kuchenbecker, quienes trabajan para aplicar estos conocimientos de la naturaleza a aplicaciones en robótica y sistemas inteligentes. “Los sensores de inspiración biológica con un gradiente de rigidez artificial similar al de un elefante podrían proporcionar información precisa con un bajo coste computacional, simplemente mediante el diseño inteligente de materiales”, afirmó Schulz.
La Dra. Lena V. Kaufmann, coautora del estudio y experta en neurociencia de la Universidad Humboldt de Berlín, se muestra entusiasmada con las conexiones con la neurociencia. “Nuestros hallazgos contribuyen a nuestra comprensión de la percepción táctil de estos fascinantes animales y abren nuevas oportunidades para profundizar en el estudio de la relación entre las propiedades del material de los bigotes y la computación neuronal”.
Kuchenbecker reflexiona sobre todo el proyecto: “Estoy muy orgulloso de lo que logramos descubrir trabajando juntos en diferentes disciplinas. Andrew reunió a un equipo increíble de ingenieros, científicos de materiales y neurocientíficos de cinco grupos de investigación diferentes y nos guió en un emocionante viaje de tres años para descubrir los secretos del poderoso y delicado sentido del tacto del elefante”.
Fuente: Phys.org.