Rhagovelia Water Strider que muestra ventiladores. Crédito: Victor Ortega-Jimenez/UC Berkeley
Un equipo colaborativo de investigadores de la Universidad de California, Berkeley, el Instituto de Tecnología de Georgia y la Universidad de Ajou en Corea del Sur ha revelado que las propulsas únicas de los fanáticos de Rhagovelia Water Water, que les permiten deslizarse a través de las corrientes de movimiento rápido, abiertos y cercanos pasivamente, como un pintura, diez tiempos más pequeños que el resumen de un ojo.
Inspirado en esta innovación biológica, el equipo desarrolló un robot a escala de insectos que incorpora ventiladores de autodesuración de ingeniería que imitan los movimientos ágiles de los errores de Rhagovelia. Este estudio destaca cómo la forma y la función de una adaptación biológica conformada por la selección natural pueden mejorar la locomoción y la resistencia de los estridadores de agua y los robots bioingeniería sin incurrir en costos de energía adicionales.
Un ventilador automático mejora el movimiento interfacial
Los estridentes de agua de Rhagovelia son únicos entre los estridentes de agua porque estos insectos semiaquáticos del tamaño de un milimétrico utilizan estructuras especializadas similares al abanico en sus patas de propulsión que permiten giros rápidos y estallidos de velocidad.
“Me intrigó la primera vez que vi errores de dominio mientras trabajaba como postdoc en la Universidad Estatal de Kennesaw durante la pandemia”, dijo Victor Ortega-Jiménez, un biólogo integrador ahora en la Universidad de California, Berkeley, autor principal del estudio.
Ortega-Jiménez había estudiado previamente el rendimiento de salto de grandes estridentes de agua de Gerridae de aguas inestables, pero los insectos de rhagovelia eran diferentes.
“Estos pequeños insectos estaban hechizando y girando tan rápidamente a través de la superficie de las corrientes turbulentas que se parecían a los insectos voladores. ¿Cómo lo hacen? Esa pregunta permaneció conmigo y tomó más de cinco años de increíble trabajo colaborativo para responderlo”.
Hasta ahora, se creía que estos fanáticos estaban impulsados únicamente por la acción muscular. Sin embargo, un estudio publicado En Science informa que los ventiladores planos en forma de cinta de Rhagovelia pueden transformarse pasivamente utilizando la tensión superficial y las fuerzas elásticas, sin depender de la energía muscular.
“Observar por primera vez un ventilador aislado que se expande pasivamente casi instantáneamente al contacto con una gota de agua fue completamente inesperado”, dijo el Dr. Ortega-Jiménez.
Esta notable combinación de colapsibilidad durante la recuperación y rigidez de las piernas durante la propulsión permite que los errores ejecute giros agudos en solo 50 milisegundos y se muevan a velocidades de hasta 120 longitudes del cuerpo por segundo, rivalizando con las rápidas maniobras aéreas de las moscas voladoras.
Los insectos de rhagovelia, los estridadores de agua a menudo conocidos como errores de ondulación, manejaron agilamente en las corrientes turbulentas. Cuando su movimiento se ralentiza, se puede ver la operación de los ventiladores en sus pies. Estos fanáticos se abren pasivamente en agua en ~ 10 milisegundos y permiten que los insectos se impulsen a lo largo de la superficie y la esquina. A medida que avanzan, los ventiladores producen actividades vorticales en el agua, similar a los vórtices producidos por las alas de los insectos voladores. Crédito: Victor Ortega-Jimenez/UC Berkeley
La colaboración es clave
Cuando el Dr. Ortega-Jiménez se unió a Georgia Tech en 2020, después de dejar KSU, presentó el proyecto y las observaciones preliminares sobre Bugs Rhagovelia al Dr. Saad Bhamla, quien quedó fascinado y ansioso por explorarlo aún más. Fue el Dr. Bhamla quien llevó al grupo del Dr. Je-Sung a la colaboración, abriendo nuevas posibilidades para integrar la biología, la física y la robótica al proyecto.
“Vi un verdadero descubrimiento escondido a la vista. A menudo, creemos que la ciencia es un deporte genio solitario, pero esto no podría estar más lejos de la verdad. La ciencia moderna se trata de equipos interdisciplinarios de científicos curiosos que trabajan juntos, a través de las fronteras y las disciplinas, para estudiar la naturaleza e ingeniería de nuevas máquinas bioinspiradas”, dijo el Dr. Bhamla.
Este esfuerzo interdisciplinario, integrando biología experimental, física de fluidos y diseño de ingeniería, continuó durante más de cinco años.
Los ingenieros de la Universidad de Ajou crearon un robot bioinspirado a escala de insectos con fanáticos de autocromefacción que imitan a los de Rhagovelia. Mejoran la movilidad de los insectos y la maniobrabilidad en la superficie del agua. Crédito: Universidad de Ajou
Nace Rhagobot: la próxima generación de robots de strider de agua
Crear un robot de tamaño insecto inspirado en Ripple Bugs fue un desafío importante, particularmente porque el diseño microestructural del ventilador seguía siendo un misterio. El avance se produjo cuando el Dr. Dongjin Kim y el profesor Je-Sung de la Universidad de Ajou capturaron imágenes de alta resolución del ventilador utilizando un microscopio electrónico de escaneo, por lo que pudieron descubrir la solución a este rompecabezas.
“Inicialmente diseñamos varios tipos de fanáticos de forma cilíndrica, que generalmente pensamos cómo se ve el cabello”, dijo el Dr. Dongjin Kim, investigador postdoctoral en la Universidad de Ajou y también autor principal de este estudio.
“Sin embargo, la dualidad funcional del ventilador, rigidez para la generación de empuje y flexible para la colapsibilidad, no podría lograrse con estructuras cilíndricas. Después de numerosos intentos, superamos este desafío diseñando un ventilador en forma de ribón plano.
“Sospechamos firmemente que los fanáticos biológicos podrían compartir una morfología similar, y finalmente descubrimos que el fanático de Rhagovelia de hecho posee una microarquitectura de ribón plano, que no se había informado previamente. Este descubrimiento validó aún más el principio de diseño detrás de nuestro ventilador artificial de ribón plano.
“With these insights they were able to decode the structural basis and function of this natural propulsion system and recreate it in a robotic form. The result was the engineering of a one-milligram elastocapillary fan that deploys itself, which was integrated into an insect-sized robot. This microrobot is capable of enhanced thrust, braking, and maneuverability, validated through experiments involving both live insects and robotic Prototipos “.
“Nuestros ventiladores robóticos se auto-morfan sin usar nada más que fuerzas de superficie de agua y geometría flexible, al igual que sus contrapartes biológicas. Es una forma de inteligencia mecánica integrada refinada por la naturaleza a través de millones de años de evolución. del estudio.
El estudio no solo establece un vínculo directo entre la microestructura del ventilador y el control de locomoción acuática, sino que también sienta las bases para el diseño futuro de robots compactos y semiacuáticos que pueden explorar superficies de agua en entornos desafiantes y de rápido flujo.
La estructura del ventilador del error de la ondulación, que colapsa y reabre rápidamente a medida que entra y sale del agua, ha revelado una dualidad biomecánica sin precedentes: alta flexibilidad para un despliegue rápido y una alta rigidez para el empuje. Esta dualidad aborda las limitaciones de larga data en la robótica acuática a pequeña escala, como la recuperación ineficiente del accidente cerebrovascular y la capacidad de maniobra limitada.
Dibujando vórtices y olas en el agua
Es bien sabido que durante la propulsión, los estrideros de agua no faneados (por ejemplo, los de la familia Gerridae) generan vórtices dipolares y ondas capilares al acariciar sus patas superhidrofóbicas en el agua.
En contraste, los insectos de rhagovelia avivados producen una firma vortical distinta y compleja con cada accidente cerebrovascular, parecido estrechamente la estela producida por aleteo aletas en el aire.
“Es como si Rhagovelia tuviera pequeñas alas unidas a sus piernas, como el dios griego Hermes”, dijo el Dr. Ortega-Jiménez. “Se necesita investigación futura para determinar si los errores de ondulación pueden producir un empuje basado en elevación de manera similar con sus estructuras similares a los ventiladores, además de la propulsión basada en arrastre”.
Esta posibilidad es intrigante, porque la evidencia sugiere que los escarabajos y los cormoranes de Whirligig generan un elevador hidrodinámico para la propulsión de natación a través de sus piernas peludas y los pies webbbed, respectivamente.
Además de estos vórtices, los errores de rhagovelia también producen ondas capilares simétricas durante la propulsión de la pierna, que parecen ayudar en la generación de empuje, junto con fuertes ondas de arco que se forman en la parte delantera del cuerpo.
De pie contra las aguas turbulentas
Las corrientes naturales plantean un desafío real, especialmente para los animales pequeños que viven y se mueven en la interfaz. Los insectos ondulados, aproximadamente del tamaño de un grano de arroz, deben navegar por aguas altamente dinámicas, ondulantes y turbulentas, mientras escapan de los depredadores, atrapan presas y encuentran compañeros.
Los niveles relativos de turbulencia que estos insectos perduran diariamente exceden con creces lo que típicamente experimentamos durante la turbulencia del avión. Sorprendentemente, el monitoreo de veinticuatro horas de estos errores en el laboratorio reveló su notable resistencia.
“Literalmente remilan día y noche a lo largo de su vida útil, solo deteniéndose para mudarse, aparearse o alimentarse”, dijo Ortega-Jiménez.
Estas condiciones inestables que se encuentran en las corrientes también representan una dificultad significativa para diseñar micro-robots interfaciales capaces de moverse de manera efectiva en aguas tales impredecibles.
“Al diseñar robots a pequeña escala, es importante tener en cuenta el entorno específico en el que operarán; en este caso, la superficie del agua. Al aprovechar las propiedades únicas de ese entorno, el rendimiento y la eficiencia de un robot pueden mejorar en gran medida. La rhagobot, por ejemplo, puede viajar rápidamente a lo largo de un flujo fluido gracias a su estructura inteligente de los fanáticos, que está impulsada por la tensión de la superficie y la superficie del agua de la superficie del agua de la superficie del agua,”, dicen las gracias.
Finalmente, estos descubrimientos podrían tener implicaciones de gran alcance para la robótica bioinspirada, particularmente en el desarrollo de sistemas de monitoreo ambiental, microrobots de búsqueda y rescate y dispositivos capaces de navegar por interfaces de aire perturbadas con una destreza similar a la dexteridad.
Más información: Victor M. Ortega-Jimenez et al, los fanáticos elastocapilares ultrarrápidos controlan las maniobras ágiles en errores y robots, ciencia (2025). Doi: 10.1126/science.adv2792. www.science.org/doi/10.1126/science.adv2792
Proporcionado por la Universidad de California – Berkeley
Cita: los pies auto-mate, los pies en forma de ala mejoran la maniobrabilidad de la superficie de los estrideros y robots de agua (2025, 21 de agosto) Recuperado el 21 de agosto de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-08-morphing-wing-feet-surface-maneuverability.html
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