La longitud óptima de las pestañas

Dibujo20150305 The mammalian eye - goat Capra aegagrus hircus - rsif royalsociety

La longitud óptima (L) de las pestañas de un mamífero es un tercio de la anchura del ojo (W), en concreto, L/W = 0,35 ± 0,15. El flujo de aire que incide en el ojo cambia en función de la longitud de las pestañas. Pestañas más cortas de un tercio de la anchura del ojo bloquean poco el aire que incide sobre la superficie ocular. Pero las pestañas más largas incrementan dicho flujo de aire hacia el ojo y provocan cierta desecación. El estudio de David Hu (Instituto de Tecnología de Georgia, Atlanta) y varios colegas ha sido publicado en la revista Interface de la Royal Society. El estudio incluye experimentos usando maquetas de un ojo con pestañas en un túnel de viento. El valor óptimo de L/W combina las medidas anatómicas, los modelos teóricos, las simulaciones numéricas y los experimentos en túnel de viento.

Conocer la longitud óptima de las pestañas para alcanzar el justo nivel de humedad y la suficiente protección ante el polvo ayudará al diseño de protectores bioinspirados para sensores ópticos. El artículo es Guillermo J. Amador, Wenbin Mao, Peter DeMercurio, Carmen Montero, Joel Clewis, Alexander Alexeev, David L. Hu, “Eyelashes divert airflow to protect the eye,” Interface 12: 1294, 25 Feb 2015, doi: 10.1098/rsif.2014.1294.

Dibujo20150305 Eyelashes of mammals - rsif royalsociety

Se han realizado mediciones anatómicas de la longitud de las pestañas (L), su diámetro (D), la distancia entre pestañas (S) y de la anchura del ojo (W) de 22 especies de mamíferos. Esta foto muestra algunos ejemplos: camello, elefante, canguro, jirafa, etc.

Dibujo20150305 Eyelashes of mammals - relation between length and eye width - rsif royalsociety

Se observa una correlación bastante lineal entre la longitud de las pestañas (L) y la anchura del ojo (W) para las 22 especies de mamíferos estudiadas. La línea continua se ha obtenido mediante regresión por mínimos cuadrados. El mejor ajuste se obtiene para una relación W/L = 3.

Dibujo20150305 Phylogenetic analysis of eyelash length - 22 mammalian species - rsif royalsociety

También se ha realizado un análisis de la relación W/L a partir de un árbol filogenético de las 22 especies de mamíferos. El análisis parece confirmar que la relación observada tiene un origen evolutivo. Algo que tendrá que confirmar futuros estudios de filogenia molecular.

Dibujo20150305 wind velocity field near the eye - numerical predictions for the radial velocity - rsif royalsociety

Se han realizado simulaciones por ordenador del campo de velocidad radial del viento que incide en el ojo cuando no hay pestañas (no lash), cuando son óptimas (optimal lash) y cuando son más largas (long lash). Esta figura muestra los resultados obtenidos. El efecto del viento sobre el ojo cuando las pestañas más largas de un tercio de su anchura (d-g-j) es similar al calculado cuando no hay pestañas (b-e-h). Estas figuras lo ilustran claramente (compárese f y g).

Dibujo20150305 wind tunnel - mammalian eye model - rsif royalsociety

También se han realizado experimentos en un túnel de viento con varias maquetas del ojo de un mamífero con pestañas. Se ha estimado el número de Reynolds (Re) para el aire que incide en el ojo (que depende de la velocidad de marcha típica de cada mamífero). Para los mamíferos estudiados se ha obtenido valores de Re entre 10 y 12000. En el túnel de viento se ha trabajado en el rango de Re entre 500 y 1000, con tres modelos biomiméticos de pestaña (ver las tres fotografías de arriba).

Dibujo20150305 wind tunnel results for LvsW as function of Reynolds number - rsif royalsociety

Los resultados del túnel de viento corresponden a los puntos rojos en esta figura y dan L/W = 0,4 ± 0,2. Los triángulos verdes son los resultados estimados para 12 mamíferos dan L/W = 0,3 ± 0,1. Y los puntos negros son los resultados de los modelos de simulación por ordenador que dan L/W = 0,20 ± 0,15.

Sin entrar en detalles técnicos, los autores han incorporado varios efectos a los modelos de simulación. Al incorporar la evaporación del ojo se obtiene L/W = 0,3 ± 0,1 para flujo con números de Re entre 500 y 1000. Al incorporar la deposición de polvo, ésta se minimiza para L/W = 0,25 ± 0,15. Cuando se estima el efecto de varias pestañas asumiendo una porosidad efectiva ϕ para el viento entre 0,5 y 0,8 se obtiene en las simulaciones L/W = 0,2.

 

El estudio tiene sus limitaciones. Los animales que viven en entornos polvorientos, además de proteger sus ojos con pestañas, pueden entrecerrar los ojos parcialmente. Su efecto no ha sido tenido en cuenta en el estudio. Tampoco se ha tenido en cuenta la flexibilidad y la elasticidad de las pestañas. Nuevos estudios serán necesarios. Pero este tipo de estudios es muy interesante en el campo de la ingeniería biomimética para diseñar sistemas de protección para lentes y sensores ópticos.

 



1 Comentario

  1. Cuando piensas que hemos evolucionado a partir de improbables mutaciones para optimizar cosas tan “nimias” como esto, entiendo que cale en cierto sector el discurso del diseño inteligente. Por otra parte, luego piensas lo duro que es la vida salvaje y los millones de años de evolución :).

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 5 marzo, 2015
Categoría(s): ✓ Aerodinámica • Biología • Ciencia • Física • Noticias • Physics • Science
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