Junto con los humanos, las aves son los únicos bípedos permanentes del reino animal que poseen un extraordinario sentido del equilibrio. ¿Cómo consiguen estos descendientes directos de los dinosaurios mantener esta estabilidad, sobre todo durante el sueño? Los científicos han conseguido desentrañar el misterio.
Un cuento para antes de dormir: Esa es más o menos la historia de una reciente publicación de un equipo de científicos del Museo Nacional de Historia Natural (MNHN) y del CNRS, que explican en las columnas del Revista de la Royal Society Interface 1 ¿Cómo consiguen los pájaros dormir y mantenerse erguidos sin perder el equilibrio? Una proeza que sabemos que son capaces los caballos y el ganado vacuno porque tienen cuatro patas, pero que a primera vista no resultaba tan evidente en los pájaros. ¿De dónde procede entonces esta estabilidad? De la tensegridad, dicen los científicos. Derivada de la contracción de las palabras «tensión» e «integridad», la tensegridad no es otra cosa que la propiedad de una estructura de permanecer estable y equilibrada gracias a un sutil juego entre la tensión y la compresión de sus elementos constitutivos.
Un equilibrio múltiple
El punto de partida de esta investigación fue comprender los mecanismos de la evolución a través de la morfología funcional, que es el estudio de las relaciones entre la forma de los organismos y su funcionamiento.“, explica Anick Abourachid, especialista en biología evolutiva y subdirector de la unidad Mecanismos Adaptativos y Evolución 2 del Museo Nacional de Historia Natural. En particular, observamos muy de cerca las patas de los pájaros. El interés en estudiar los mecanismos de evolución de las patas en las aves radica en que constituyen un grupo particularmente homogéneo desde el punto de vista estructural: “ Todos son dinosaurios bípedos voladores que comparten una estructura construida para la aerodinámica desde el origen del grupo. Sin excepción, tienen un tronco rígido, tren de aterrizaje y despegue y alas. “, explica el investigador. Este esquema organizativo, muy bien conservado, es eficaz también en todas partes, ya que las aves se encuentran en todos los entornos. Es esta versatilidad la que siempre me ha interesado e intrigado.“, comparte Anick Abourachid. Y fue a través de discusiones con mis colegas Philippe Wenger y Christine Chevallereau que aprendí sobre la tensegridad, esos sistemas mecánicos mantenidos únicamente por la tensión. ”
Vale la pena recordar que las patas de las aves son peculiares, aunque estructuralmente similares a las de los humanos”. Los pájaros son bípedos flexionados; cuando están de pie, todo su cuerpo está doblado. Para nosotros, esto correspondería a agacharse de puntillas. “explica El investigador afirma que se trata de una postura que, a primera vista, no parece muy cómoda. Sin embargo, en esta posición, los pájaros se relajan e incluso pueden dormir de pie. En definitiva, descansan y, en consecuencia, gastan menos energía. Para entender cómo las aves logran este equilibrio, los científicos idearon un modelo digital basado en la anatomía de un pequeño pájaro, el diamante mandarín.(Taeniopygia guttata), una especie perteneciente a la familia de los paseriformes. Fue mediante la hipersimplificación del sistema corporal, para mantener solo lo relacionado con la postura de pie, que encontramos la estabilidad postural. “, revela Anick Abourachid.
En este modelo, los huesos del cuerpo y de las piernas han sido reemplazados por barras, y los músculos y tendones por cables más o menos rígidos. Las articulaciones entre cada hueso de la pierna han sido reemplazadas por poleas. Comenzamos los experimentos utilizando un único cable que iba desde la pelvis del ave hasta sus patas, pasando por todas las articulaciones (cadera, rodilla, tobillo) y por tanto todas las poleas. “, explica el biólogo.
En las aves, un tendón pasa a través de un lazo de ligamento en la parte posterior de la rodilla para mantenerla alineada, una característica anatómica única.
Resultado: Los investigadores lograron reproducir la postura erguida genérica de los pájaros, pero no eran en absoluto estables, aunque todavía nos sorprende verlos aterrizar en cables eléctricos o ramas de árboles sin caerse nunca. Nuestro modelo de pájaro solo se equilibraba en un único punto del espacio, mientras que, por naturaleza, se equilibran en una multitud de posiciones. Por eso mejoramos su estabilidad utilizando varios cables en lugar de uno solo. En particular, uno que pasa por detrás de la rodilla en lugar de por delante, como era el caso en el modelo inicial. “, dice Anick Abourachid.
En las aves, sin embargo, un tendón recorre la parte posterior de la rodilla a través de un lazo de ligamento para mantenerla alineada. Una característica anatómica única. Así, con cuatro cables, incluido uno que pasa por la parte posterior de la rodilla, el modelo se volvió estable, lo que significa que incluso con una pequeña perturbación, el sistema pudo volver al equilibrio por sí solo, de forma pasiva, como un voltereta.
Rigidez y reactividad
Además, los científicos se dieron cuenta de que la calidad de los cables, y por tanto de los tendones, de las patas de las aves desempeñaba un papel decisivo. De hecho, las aves están entre los únicos animales que tienen tendones calcificados, casi osificados”. explica Christine Chevallereau, directora de investigación del Laboratorio de Ciencias Digitales de Nantes 3 (LS2N). En nuestro modelo, entendimos que esta propiedad debía tenerse en cuenta para obtener un equilibrio estable. El pájaro necesita estos tendones rígidos porque, al aterrizar, tiene que contrarrestar el efecto de la gravedad para no volcarse hacia un lado u otro de la rama. Aunque esta baja elasticidad pueda no parecer un factor a favor de la estabilidad, en realidad es todo lo contrario, ya que reduce el efecto de las perturbaciones a las que se ve sometido el pájaro. También hace que el sistema responda mucho más rápidamente, ya que es menos probable que se deforme antes de volver a su posición de equilibrio. Ya sea que nieve, llueva o haga viento, gracias a este sistema de tensegridad, los pájaros pueden seguir durmiendo sin miedo a caerse de sus perchas.
” A priori, la ventaja que los pájaros obtienen de la tensegridad en sus patas se basa en la naturaleza pasiva del mecanismo. Así, para un pájaro, mantenerse erguido no requiere pensamiento ni concentración. Todo depende de la elasticidad del sistema. Es una forma de inteligencia corpórea en la que es el cuerpo solo el que resuelve el problema sin la intervención del cerebro y, por lo tanto, sin el uso de energía. “, comparte Christine Chevallereau.
“La naturaleza pasiva del mecanismo es sorprendente y sinónimo de una aplicación de alto impacto”. Hay que tener en cuenta que estos mecanismos se utilizan mucho en ingeniería civil, porque hacen que las estructuras sean más ligeras. La idea, con este descubrimiento, es utilizar estos mecanismos en robótica para aligerar las masas en movimiento, consumir menos energía, utilizar menos material para construirlas y reducir el peligro en caso de colisión con un operario. “, señala Philippe Wenger, director de investigación de LS2N. Los ingenieros ya están imaginando robots bípedos equipados con sistemas de tensegridad que les permitan mantener posturas erguidas, en equilibrio sobre soportes inestables, durante largos periodos, sin gastar la más mínima cantidad de energía.
