Desarrollan sensores submarinos más sensibles que el sonar

Una especie de pez de agua dulce conocida como Astyanax fasciatus o pez ciego está sirviendo a científicos del Georgia Tech, de Estados Unidos, para desarrollar un nuevo tipo de sensores de mayor rendimiento que la técnica del sonar (que usa la propagación del sonido bajo el agua para la navegación, la comunicación o la detección).

Estos peces, que no pueden ver, poseen una tecnología biológica “puntera”, que consiste en pelos cubiertos de una especie de gel, que se extienden por todo su cuerpo. Con ellos, los peces ciegos perciben los movimientos del medio acuoso en que se encuentran.

Los investigadores han conseguido imitar dichos pelos, y reproducir de manera artificial la habilidad del Astyanax fasciatus para detectar objetos bajo el agua y moverse a través de la oscuridad, informa el Georgia Tech en un comunicado, aunque de momento sólo a pequeña escala.

Aplicaciones y ventajas

Si llegaran a fabricarse en series de miles de ellos, estos tendrán diversas aplicaciones submarinas como de vigilancia, detección temprana de tsunamis, inspección autónoma de instalaciones petrolíferas, navegación autónoma submarina o investigación marina.

Según explica el profesor Vladimir Tsukruk, uno de sus creadores, las células del pelo de los peces ciegos son como sensores mecánicos bien diseñados, similares a los que los humanos poseemos en los oídos y que nos permiten mantener el equilibrio.

Están tan bien diseñados que, cualquier desvío de estás células pilosas encapsuladas en “gelatina” aporta a los peces información sobre lo que sucede a su alrededor, en la corriente en la que nadan, con mayor eficiencia que un sonar.

Si se pudieran imitar artificialmente, aseguran, superarían además al sonar por su eficiencia y porque no presentarían ciertos obstáculos que el sonar sí presenta: que requiere mucho espacio, envía señales acústicas que pueden tener efectos negativos para el entorno y no puede usarse para aplicaciones que necesitan el sigilo.

Pasos seguidos

Tsukruk y sus colaboradores, los estudiantes Michael McConney y Kyle Anderson, en primer lugar realizaron para la elaboración de los sensores “pilosos” experimentos con una única célula artificial de pelo microsensora.

Esta célula fue fabricada con SU-8, un polímero de resina epoxi capaz de solidificar, y siguiendo una tecnología de microfabricación conocida como CMOS.

Gracias a estas pruebas, descubrieron que la célula por sí sola no podía alcanzar la sensibilidad de detección necesaria para captar las perturbaciones hidrodinámicas creadas por cuerpos en movimiento o estacionarios en un entorno fluido.

Por esta razón, añadieron a dicha célula de pelo una cápsula sintética similar a un gel –conocida como cupula-, con la que los microsensores de inspiración biológica fueron capaces de detectar dichas perturbaciones con mayor eficacia incluso que el pez ciego, debido a que la cupula artificial suprime el ruido de fondo presente en el medio líquido.

Homólogo sintético

Otras ventajas de esta cápsula de hidrogel es que protege a los sensores e incrementa su resistencia a las deformaciones debidas a los impactos contra las corrientes. Además, ayuda a los pelos a resistir mejor la corrosión y el crecimiento de microorganismos propios del entorno marino, explican los científicos.

Antes de empezar a sintetizar el material del gel en el laboratorio, los investigadores utilizaron un microscopio óptico y un microscopio confocal para determinar el tamaño, la forma y las propiedades de una cupula real de pez ciego.

Una de las cupulas analizadas tenía forma cilíndrica, y una altura aproximadamente cinco veces mayor que su diámetro. La parte más alta de esta cupula estaba lo suficientemente lejos de la superficie del pelo que permanecía expuesta con libertad a las corrientes de agua y podía doblarse con el pelo para detectar los cambios en dichas corrientes.

Para crear su homólogo sintético en el laboratorio, los investigadores echaron una gota de una solución de polietileno glicol tetra acrilato disuelto en metanol, directamente sobre el sensor. Una vez que esta gota se secó, lanzaron sobre ella otra gota, y así sucesivamente hasta formar una alta estructura de hidrogel.

Cuando toda la cupula se hubo secado, fue expuesta a luz ultravioleta para que las diversas capas se uniesen, formando una red tridimensional. Este método de añadir gota a gota la sustancia permitió a los investigadores controlar el ancho y la altura de la cupula.

Miles de sensores

En las pruebas realizadas con estas cupulas, los mejores resultados fueron conseguidos con una cupula que empezaba 275 milímetros por encima de la base del pelo y se extendía 275 milímetros sobre éste, dando a la estructura total formada por pelo y cupula una longitud de 825 milímetros.

Hasta el momento, los investigadores han fabricado una serie de ocho microsensores capaces de detectar la oscilación de objetos bajo el agua. Ahora buscan socios industriales que les ayuden a fabricar series de miles de estos sensores para probarlos en entornos marinos reales.

Los investigadores del Georgia Tech describieron el detector de movimiento que imita las vellosidades del pez ciego en el último encuentro de la American Physical Society meeting, celebrado entre el 16 y el 20 de marzo en Pittsburgh (Estados Unidos). La Agencia de Investigación de Proyectos Avanzados de Defensa (DARPA) estadounidense ha patrocinado la investigación.

Imitando a la Naturaleza

Cada vez son más los ejemplos de diseños y desarrollos técnicos humanos que tratan de emular a la biología, porque la naturaleza realiza verdaderas proezas de ingeniería sin duda aprovechables para los humanos.

Algunos ejemplos de los que hemos hablado anteriormente en Tendencias21 son el estudio de las conchas marinas a nivel nanométrico para el desarrollo de nuevos materiales en el futuro destinados a la óptica, la robótica, o la reparación de huesos; o el análisis del modo en que los caracoles de agua se desplazan boca abajo y bajo la superficie para explorar nuevas posibilidades de propulsión en fluidos.