Lo que los físicos pueden aprender de los intestinos de tiburón

En 1920, el inventor Nikola Tesla patentó un tipo de tubería que llamó «conducto valvular», que fue construido para extraer fluido en una dirección sin partes móviles ni energía adicional, y tiene aplicaciones que van desde robótica blanda hasta implantes médicos.

En 2021, los científicos descubrieron que los intestinos en forma de espiral de los tiburones funcionan de la misma manera, favoreciendo el flujo de fluidos en una dirección, desde la cabeza hasta la pelvis. Ido Levin, físico en el laboratorio de Sarah Keller en la Universidad de Washington, se interesó en la física del flujo de fluido a través de estas espirales de tiburón. Presentará cómo la impresión 3D de modelos de intestinos de tiburón les está ayudando a aprender cómo funcionan estas espirales el lunes 20 de febrero en la 67ª Reunión Anual de la Sociedad Biofísica en San Diego, California.

Levin explicó que «los investigadores del estudio de 2021 conectaron un tubo a los intestinos del tiburón y pusieron agua con glicerina, un líquido muy viscoso, a través de estas tuberías. Y demostraron que si conectas estos intestinos en la misma dirección que un tracto digestivo , obtienes un flujo de fluido más rápido que si los conectas al revés».

«Pensamos que esto era muy interesante desde la perspectiva de la física… Uno de los teoremas de la física en realidad establece que si tomas una tubería y haces fluir un fluido muy lentamente a través de ella, tienes el mismo flujo si lo inviertes. Así que se sorprendieron mucho al ver experimentos que contradecían la teoría. Pero luego recuerdan que los intestinos no están hechos de acero, están hechos de algo blando, así que mientras el fluido fluye a través de la tubería, la deforma».

Para estudiar la dinámica de fluidos a través de tuberías en espiral, Levin y Keller colaboraron con sus colegas del Grupo Nelson de la Universidad de Washington para crear estructuras blandas en 3D que imitan aspectos de los intestinos de los tiburones. «Hace 15 o 20 años, era imposible tratar de reconstruir estas formas en materiales hechos por el hombre», dijo Levin.

Cuando utilizaron un material rígido para imprimir las formas en 3D, no hubo diferencia en el flujo de fluido en una dirección u otra. Sin embargo, imprimir las formas usando un elastómero más suave condujo a un flujo de fluido más rápido en una dirección. Usando estas estructuras impresas en 3D, el equipo está estudiando cómo el radio, el paso y el grosor de la estructura interna impactan en el flujo del fluido.

Con los materiales más blandos, también pueden estudiar el acoplamiento entre el caudal y cómo se deforma la tubería. Comprender estos parámetros ayudará a diseñar estructuras similares que se pueden usar para cosas como la robótica blanda.

Hasta hace poco tiempo, los robots se fabricaban con materiales rígidos y bisagras. Pero el uso de materiales blandos que pueden deformarse de diferentes maneras, como lo hace un pulpo, abre todo un mundo de posibilidades, explica Levin, «este es un paso adelante para tratar de comprender la mecánica básica de la interacción entre las membranas y el flujo». Un día, este sistema aparentemente simple podría controlar dispositivos industriales o médicos.