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No início da pandemia, Víctor Ortega-Jiménez estava explorando riachos perto de sua casa e observando colêmbolos. Os organismos são os hexápodes não-insetos mais abundantes na Terra, e Ortega-Jiménez suspeitava que sua evitação de predadores tinha algo a ver com sua capacidade de pular na superfície da água e pousar perfeitamente no mesmo local.
Ortega-Jiménez trouxe a hipótese de volta ao seu laboratório na Escola de Engenharia Química e Biomolecular (ChBE) da Georgia Tech. Usando uma combinação de modelagem computacional e robofísica, bem como experimentos de dinâmica de fluidos, os pesquisadores puderam ver pela primeira vez a mecânica do movimento elástico. Eles determinaram como os colêmbolos controlam seu salto, se auto-direitam no ar e pousam de pé – tudo em um piscar de olhos – efetivamente salvando-os de predadores.
“Esses organismos extraordinários com morfologia única vivem em um lugar muito precário: a superfície da água”, disse o professor assistente do ChBE, Saad Bhamla. “Então, quando eles pulam e pousam de volta na água, devemos entender os efeitos da hidrodinâmica e da aerodinâmica. “
Ortega-Jiménez, Bhamla e seus colaboradores apresentaram esta pesquisa em “Directional Takeoff, Aerial Righting, and Adhesion Landing of Semiaquatic Springtails”, publicado no Anais da Academia Nacional de Ciências.
Entendendo os Springtails
Os pesquisadores descobriram que os colêmbolos são tão bem-sucedidos por causa da postura e principalmente por seus apêndices únicos para salto e adesão. Primeiro, eles ajustam o ângulo de seu órgão de salto, a fúrcula, quando decolam. Em seguida, eles mudam sua postura no ar para uma forma de U que cria torque aerodinâmico, efetivamente endireitando-os 20 milissegundos no salto, o mais rápido de qualquer organismo sem asas. Eles pousam em um colóforo, um apêndice específico do colêmbolo que retém a água.
Os colêmbolos fazem parte da família Collembola, organismos conhecidos por terem um colóforo hidrofílico, uma estrutura tubular que contém uma gota de água e pode aderir a superfícies. Os pesquisadores determinaram que esse colóforo é essencial para o colêmbolo deslizar na superfície da água e efetivamente pousar de pé sem pular. Com imagens de alta velocidade e um modelo matemático de força osciladora hidrodinâmica – usando tensão superficial, inércia, flutuabilidade, arrasto, dissipação capilar e forças de adesão – os pesquisadores calcularam como o springtail aproveita seu colóforo para pousos estáveis que liberam energia através ondas capilares.
“Ninguém nunca mostrou experimentalmente para que serve o colóforo, e estamos mostrando que é para sua sobrevivência”, disse Ortega-Jiménez. “Eles precisam disso para estabilidade, controlando sua decolagem, mas mais importante, como pousar perfeitamente como um acrobata.”
Depois que os pesquisadores observaram o salto, descobriram que os colêmbolos podiam controlar seu ângulo e velocidade de decolagem. Eles o dividiram em um modelo matemático para determinar a precisão desses saltos em uma simulação de computador. O modelo sugeriu que, se os colêmbolos podem controlar o ângulo de seu corpo, eles podem deslizar na superfície da água com seu colóforo, validando as observações experimentais de Ortega.
Os pesquisadores exploraram a capacidade de auto-endireitamento dos colêmbolos usando colêmbolos mortos e vivos em um túnel de vento, bem como usando modelos físicos de queda livre. Eles descobriram que a postura em forma de U dos colêmbolos e uma gota coletada pelo colóforo criam o pouso perfeito.
“Este trabalho mostra o quão importante é o movimento controlado para a fuga e sobrevivência do predador”, disse Kathryn Dickson, diretora do programa da National Science Foundation, que financiou parcialmente a pesquisa. “Os colêmbolos não poderiam ter se tornado o hexápode não-inseto mais abundante sem serem capazes de controlar sua resposta de fuga semelhante à de um ginasta. Além de ser fascinante de assistir, essa nova compreensão da biomecânica de como os colêmbolos controlam seu salto, e pousar com segurança na água pode levar a avanços em campos da robótica à aerodinâmica.”
Em seguida, os pesquisadores construíram pequenos robôs para replicar suas observações experimentais e computacionais em um ambiente físico em colaboração com a equipe do professor Jesung-Koh da Universidade Ajou, na Coréia do Sul.
“Tem sido um grande desafio para robôs saltadores, especificamente em pequenas escalas, controlar sua orientação no ar para pousar e pular”, disse Koh. “A descoberta desta pesquisa pode inspirar robôs saltadores em escala de insetos que são capazes de pousar com segurança e expandir a capacidade dos robôs em novos terrenos, como as superfícies de águas abertas nos lagos e oceanos do nosso planeta”.
Os pesquisadores criaram um pequeno robô com flappers de arrasto para validar as observações de que um colóforo e a forma do corpo são necessários para pousar.
“Mostramos em três casos diferentes que o robô nativo gira fora de controle e aterrissa de forma imprevisível”, disse Bhamla. “Mas à medida que você adiciona cada um desses incrementos, como os flappers de arrasto, demonstramos que o robô pode alcançar estabilidade e pousar em pé”.
O robô tem uma taxa de sucesso de 75%, em comparação com a taxa de sucesso de 85% do springtail, tornando os resultados significativos. Mas os resultados podem ter implicações para mais do que apenas colêmbolos.
“Estamos agora abrindo esta caixa de Pandora do que os animais menores podem fazer”, disse Ortega-Jiménez. “Há uma crença de que, por serem minúsculos, não têm tanto controle quanto os grandes animais. Então, estamos abrindo algumas possibilidades de controle nessa pequena escala que podem fornecer insights sobre as origens do voo nos organismos.”
Vídeo: https://youtu.be/ZzB7T-Ik1wY
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