Ciencia con raíces santaneras

Un grupo de investigadores, entre los que se encuentra Andrés Felipe Arrieta Díaz, un Caribe con raíces santaneras, creó una especie de alerones sintéticos que pueden plegarse y expandirse con una versatilidad y dureza extraordinarias.

La revisa Science resaltó la investigación adelantada por grupo de científicos que crearon una especie de alerones sintéticos que pueden plegarse y expandirse con una versatilidad y dureza extraordinarias. Entre esos se destaca el aporte que hizo un Caribe con raíces santaneras.

Se trata de Andrés Felipe Arrieta Díaz, ingeniero mecánico egresado de la Universidad de Los Andes, doctor en Dinámica y Control de Estructuras Aeroespaciales Inteligentes de la Universidad de Bristol, Inglaterra.

Arrieta Díaz, en colaboración con el profesor André R. Studart, y el investigador postdoctoral Jakob Faber, se inspiraron en bichos conocidos como ‘cortapichas’ o ‘tijeretas’.

“Lo que nosotros hicimos fue desarrollar un modelo relativamente sencillo y matemático para explicar este fenómeno y luego aplicarlo para unos sistemas en ingeniería; en particular lo que hicimos fue demostrar cómo se puede utilizar esto para una clase de robots flexibles”, explicó el colombiano.

Scienc es una revista científica y órgano de expresión de la Asociación Americana para el Avance de la Ciencia. Su principal objetivo es la publicación de hallazgos de investigación reciente.

Los científicos crearon una especie de alerones sintéticos que pueden plegarse y expandirse con una versatilidad y dureza extraordinarias.

Esta revista es conocida por sus publicaciones sobre política científica y otros asuntos en relación con el área de las ciencias y tecnología. Cubre un amplio rango de disciplinas científicas, pero tiene especial interés en las ciencias de la vida.

LA INSPIRACIÓN

Los insectos conocidos como ‘cortapichas’ o ‘tijeretas’ fueron la inspiración de los tres investigadores.

La tijereta es un insecto de largas antenas y color rojizo oscuro y brillante. Por lo general, habita en parques y jardines de las casas.

Se dice que tienen unos apéndices abdominales terminados en pinzas, situados en la parte posterior del cuerpo. “Su nombre proviene por el gran parecido de estos con un instrumento utilizado para hacer los agujeros en las orejas para colocar los pendientes. Pero en realidad, estos apéndices, denominados cercos en la tijereta, sirven para defenderse de los enemigos, así mismo para sujetar a las presas. Tienen una función relevante en la reproducción, ya que el macho las utiliza durante el cortejo y durante el apareamiento”.

EL DESCUBRIMIENTO

Según apartes publicados en la revista, la investigación consiste en unas piezas diseñadas en 4D e impresas en 3D que aprovechan una combinación de varios productos sintéticos para intentar simular y sustituir a los materiales como la resilina, que permite a estos insectos, de la familia de los dermápteros, tener unas alas flexibles y potentes.

“Nuestro objetivo en esta investigación era estudiar los principios del funcionamiento de las alas de estos insectos, tanto en el despliegue como en el repliegue, para  implementarlos en todo tipo de estructuras sintéticas. Por eso, primero nos centramos en el plegado para reproducir todo el sistema. A raíz de estudiar este movimiento, creamos un modelo del sistema central del ala y lo acabamos diseñando con tecnología 4D para después imprimirlo”, explicaron los autores.

Arrieta señaló, en un medio de comunicación a nivel nacional, que “la posibilidad de poder imprimir en 3D este tipo de objetos, nos acerca a las estrategias de diseño que subyacen en las estructuras biológicas que existen en la naturaleza».

Los científicos afirman, que con este estudio mejoraron las técnicas milenarias del origami tradicional japonés para que sirvan de forma eficaz para plegar y desplegar estas alas con una velocidad fuera de lo normal.

“Este descubrimiento abre un amplio espacio de diseño que puede ser potencialmente utilizado para fabricar dispositivos biomédicos para pacientes con características muy específicas, mejores portátiles plegables, pantallas, robots o incluso naves espaciales”, agregaron.

DESARROLLO DE LA INVESTIGACIÓN

Andrés Arrieta Díaz trabajó durante tres años y medio en la Universidad ETH. Allí conoció al profesor André R. Studart. Cuenta, que “dejé de trabajar en la universidad, pero estuvimos colaborando en otro laboratorio y tuvimos una propuesta que fue financiada por un ente en Europa y desde allí se hizo esta investigación”.

Por su parte, Jakob A. Faber es un investigador postdoctoral que estuvo alrededor de cuatro meses en el laboratorio del colombiano, desarrollando la idea de la investigación. La colaboración se hizo un poco a distancia,  con reuniones por vía Skype, aunque en algunas ocasiones, Jakob estuvo con ellos.

FILTROS DE LA REVISTA

El colombiano aseguró, que el equipo que trabajó en la investigación tenía la certeza que su proyecto iba a ser relevante para ser tenido en cuenta por la revista

“En nuestro caso, lo que nos llevó a pensar que era una investigación que pudiera tener esos resultados era la multidisciplinariedad en el trabajo. Tenemos parte de biología, ingeniería de materiales e ingeniería mecánica”.

El proyecto fue enviado a la revista, pasó por un filtro editorial en el que las personas revisan el contenido y determinan si es de suma importancia.

Posterior a ese filtro, el material pasa por manos de unos revisores, que por lo general son profesionales que han publicado con anticipación en la revista y son ellos quienes evalúan los méritos del artículo.

VERSATILIDAD DE LA INVESTIGACIÓN

Andrés Arrieta Díaz explicó, que “el mecanismo que nosotros descubrimos para analizar el cambio de forma y que las formas se mantengan, es básicamente el material que se utiliza y la escala geométrica del componente que se haga”.

Esta es una de las alas plegadas creadas por los científicos

La utilidad en paneles solares y en arquitectura hace que este descubrimiento sea importante. Así mismo, pueden ser utilizados unos stents, que son dispositivos que ayudan a corregir el estrechamiento de las arterias y se instalan tanto en las arterias coronarias del corazón como de arterias o venas de otras regiones del cuerpo como la aorta, arterias de las piernas, venas del tórax, entre otras.

“Estos dispositivos están compuestos de unos materiales específicos, pero con este descubrimiento podríamos hacerlos de polímeros biocompatibles. La versatilidad radica en que el fenómeno que explicamos es independiente del material que se utiliza”, precisó el científico colombiano.

TEORÍA DEL ORIGAMI CON DISEÑO BIOINSPIRADO 

El arte del Origami consiste en crear objetos tridimensionales a través del plegado de hojas de papel en el que el diseño de un patrón específico de dobleces determina la figura que se obtiene. En la actualidad, el Origami encuentra usos más allá del arte, con aplicaciones en nanotecnología y estructuras arquitectónicas.

La teoría clásica o ‘estricta’ del Origami no admite cortes ni que la superficie de papel se extienda, lo cual restringe las posibles formas tridimensionales que se pueden crear. La naturaleza presenta un ejemplo que supera estas restricciones: el ala de la humilde tijereta.

La tijereta es un insecto muy especial, pues tiene alas que incrementan su área en 18 veces desde su forma plegada, para vivir bajo tierra, a su forma desplegada, que le permite volar. Este cambio de área es el más grande del reino animal y determina la particularidad del ala de la tijereta. Adicionalmente, esta ala sostiene sus formas plegada y desplegada sin necesidad de fuerza alguna.

Las alas de este insecto llamado tijereta o también conocido como ‘cortapichas’, sirvieron de inspiración para los tres investigadores.

Esta peculiar característica de mantener dos formas se conoce como biestabilidad; contrario a los sistemas basados en origami clásico que sí necesitan de un aparato o actuador para no deformarse cuando son sometidas a cargas externas. El secreto del ala de la tijereta radica en un patrón de pliegues similar a los que convencionalmente se encuentran en Origami. Sin embargo, la teoría convencional no explica las maravillosas capacidades del ala de la tijereta. En la investigación descubrieron que es posible reproducir el comportamiento de esta ala y explicar el origen de sus características por medio de un modelo matemático de extensión en los pliegues, sometiéndolos a una pre-tensión sostenida.

“Este descubrimiento extiende la teoría del Origami abriendo la puerta a nuevas posibilidades tanto para crear figuras artísticas como para aplicaciones en dispositivos biomédicos, estructuras de ingeniería y en robótica. La  teoría permite, por ejemplo, que se creen pantallas desplegables que pasen de tener el tamaño de un teléfono celular a la de un televisor de 22 pulgadas. De la misma manera, la biestabilidad inspirada en el ala de la tijereta permite introducir stents dentro de las arterias y luego desplegarlos, o crear robots manipuladores que puedan acoplarse y sostener objetos sin necesidad de una actuación continua o sensores. Esta investigación demostró que al entender y modelar mecanismos de la naturaleza es posible inspirar nuevas teorías matemáticas que permiten mejorar y extender las posibilidades de la tecnología actual”, explicaron los investigadores.

¿QUIÉN ES ANDRÉS FELIPE ARRIETA DÍAZ?

Andrés Felipe Arrieta Díaz es doctor (PhD) en ingeniería mecánica de la Universidad de Bristol, en el Reino Unido, en 2010, donde recibió la competitiva beca ORS que financió sus estudios doctorales. Recibió su título profesional de ingeniero mecánico de la Universidad de Los Andes en 2006, y es egresado del colegio Abraham Lincoln School de Bogotá.

Después de recibir su grado doctoral, trabajó como investigador postdoctoral en la Universidad TU Darmstadt, en Alemania, y luego lideró el grupo de estructuras flexibles dentro del laboratorio de materiales compuestos y estructuras adaptativas de la universidad ETH Zurich, de Suiza.

Andrés ha recibido varios reconocimientos como la prestigiosa beca postdoctoral ETH Postdoctoral Fellowship en el 2012, otorgada en conjunto por la Universidad ETH Zurich y la Unión Europea a jóvenes investigadores, así como el premio para investigadores jóvenes Gary Anderson de la Asociación Americana de Ingenieros Mecánicos (Asme por sus siglas en inglés).

Este último premio se otorga anualmente a un investigador a nivel mundial en reconocimiento de contribuciones extraordinarias al área de estructuras adaptativas (Adaptive Structures). El doctor Arrieta ha publicado 36 artículos en revistas científicas indexadas, 46 artículos en conferencias científicas internacionales y ha sido invitado en 26 ocasiones a dar seminarios sobre sus investigaciones. Andrés mantiene un contacto estrecho con Colombia tanto en la parte académica como personal.

Ha sido invitado a la Universidad de Los Andes, su Alma Mater, y a la Escuela Colombiana de Ingeniería como profesor visitante en varias ocasiones. Sus vacaciones las pasa todos los años con su familia en Santa Marta, la tierra de sus orígenes.