Francis en #rosavientos: Las acrobacias en vuelo de las moscas

Por Francisco R. Villatoro, el 13 abril, 2014. Categoría(s): Aerodinámica • Ciencia • Eureka (La Rosa de los Vientos) • Física • Noticias • Physics • Science ✎ 10

Dibujo20140411 example sequences - Flies Evade Looming Targets - science mag

Ya puedes escuchar el audio de mi sección ¡Eureka! en el programa de radio La Rosa de los Vientos de Onda Cero. Como siempre, una transcripción, algunos enlaces y algunas imágenes para ilustrar la noticia.

Las moscas son molestas, pero cazarlas con la mano es muy difícil. Las moscas evitan la amenaza de forma casi instantánea. ¿Se sabe cómo logran una capacidad de evasión tan sorprendente? El biólogo Michael H. Dickinson, de la Universidad de Washington, en Seattle, EEUU, y varios colegas han publicado esta semana en la revista Science un artículo que estudia, mediante cámaras vídeo de alta velocidad, las maniobras acrobáticas de evasión de las moscas de la fruta (Drosophila hydei) ante la amenaza de un depredador. Las moscas reaccionan en milésimas de segundo ante un estímulo que consideran una amenaza y varían su rumbo de vuelo en unas centésimas de segundo gracias a un movimiento combinado de su cuerpo y de sus alas. Se pensaba que el cambio de rumbo era similar a un bandazo brusco. Sin embargo, el nuevo estudio indica que las moscas realizan movimientos suaves de su cuerpo, movimientos de cabeceo y de alabeo como los que hacen los aviones comerciales para girar. El cabeceo (pitch) consiste en levantar o bajar el morro del avión, y el alabeo (roll) consiste en rotar el cuerpo del avión para levantar un ala bajando la otra ala. Gracias a este rápido movimiento del cuerpo, que ocurre cinco veces más rápido que los giros que se realizan durante el vuelo normal, las moscas cambian de dirección en un par de aleteos y esquivan la posible amenaza de un depredador. Los autores del estudio han utilizado tres cámaras de alta velocidad para grabar los movimientos tridimensionales en vuelo de las moscas.

El artículo técnico es Florian T. Muijres, Michael J. Elzinga, Johan M. Melis, Michael H. Dickinson, “Flies Evade Looming Targets by Executing Rapid Visually Directed Banked Turns,” Science 344: 172-177, 11 Apr 2014 [incluye 11 vídeos]. En español recomiendo leer a Antonio Martínez Ron, “Las moscas esquivan a sus depredadores con la elegancia de un piloto de caza,” NEXT, Vozpópuli, 10 Abr 2014; Judith de Jorge, “Por qué es tan difícil atrapar una mosca al vuelo,” ABC Ciencia, 11 Abr 2014.

Dibujo20140411 Experimental setup and angle conventions - flies evade looming targets - science mag

Seguir con la vista el vuelo de una mosca es muy difícil. ¿Cómo han podido grabar el vuelo de la mosca con tres cámaras de alta velocidad de forma simultánea? El diseño del experimento ha sido realizado por el primer autor del artículo Florian T. Muijres, también de la Universidad de Washington, en Seattle. Las cámaras de alta velocidad requieren una iluminación muy brillante que puede cegar a las moscas e impedir que observen el estímulo visual que actúa como amenaza. Por ello se han utilizado tres cámaras de infrarrojos de 7500 fotogramas por segundo colocadas en ángulos rectos entre sí. Las moscas no ven la luz infrarroja, luego se puede utilizar una iluminación muy intensa con estas cámaras. Además, las moscas se han encerrado en una pantalla (display) electrónica con forma cilíndrica que muestra el estímulo visual de amenaza. Las cámaras enfocan sólo la parte central del cilindro, por ello se han encerrado muchas moscas en el cilindro esperando que de forma ocasional alguna pasara por la zona de enfoque y quedara registrada su maniobra de evasión. Tras varios meses de trabajo se ha registrado la maniobra de evasión de 92 moscas y se han grabado 3.566 aleteos individuales. Las moscas mueven las alas unas 200 veces por segundo, luego se han capturado unas 40 imágenes por cada aleteo que han sido estudiadas con modelos 3D por ordenador.

Dibujo20140411 wing trailing edge vortices fly - jeb biologists org

La pregunta parece obvia, ¿cómo vuelan las moscas? Las moscas vuelan barriendo el aire, moviendo las alas hacia adelante y hacia atrás con un movimiento parecido al de las cerdas de una escoba al barrer el suelo. Las alas de la mosca usan un ángulo de ataque muy grande, de unos 45 grados. El ángulo de ataque es el ángulo del ala relativo a la dirección de movimiento. Los aviones usan ángulos de ataque muy pequeños, de pocos grados. Las alas de la mosca barren el aire hacia atrás con un ángulo de ataque de unos 45 grados, giran el ala 90 grados y vuelven a barrer el aire pero hacia adelante también con un ángulo de ataque de 45 grados. De esta forma generan sustentación aerodinámica tanto al barrer el aire hacia atrás como hacia adelante. El secreto de la sustentación de la mosca es la generación de pequeños remolinos en los extremos de sus alas. Estos vórtices son como pequeñísimos tornados y producen grandes fuerzas de sustentación que permiten a la mosca volar y maniobrar.

Dibujo20140411 drosophila brain - higher brain sensory circuits - neuroinformatics

Entender el vuelo de las moscas parece muy interesante para los biólogos, pero ¿qué aplicaciones prácticas puede tener este estudio? La ingeniería aeronáutica durante el siglo XX se ha centrado en aeronaves enormes para transportar personas y grandes cargas. Sin embargo, ahora hay mucho interés en los drones y en los pequeños robots voladores. El diseño eficiente de estas aeronaves se beneficiará mucho del entendimiento de la aerodinámica de los insectos voladores. Otro objetivo estos estudios es entender la neurobiología de la mosca. Entender cómo responde el sistema motor de la mosca para corregir su velocidad y dirección es el primer paso para entender cómo funciona su sistema sensorial para reaccionar con tanta rapidez ante una amenaza. Entender cómo un cerebro (sistema nervioso) tan pequeño como el de una mosca puede realizar movimientos tan complicados sin entrenamiento ni aprendizaje ayudará a diseñar sistemas de control más rápidos y eficientes para los robots del futuro.

Si aún no has escuchado el audio sigue este enlace.



10 Comentarios

  1. Me parece que la aerodinámica del vuelo de una mosca tiene muy poco que ver con la de los aviones. Basta decir que el aleteo no tiene nada que ver con la propulsión por medio de motores donde las alas sólo aportan la sustentación. El vuelo con aleteo es mucho más complejo.

    1. Bueno, en primer lugar está el asunto de la ingeniería. Replicar mecánicamente un ala batiente orgánica es complicado. Para un avión resulta más sencillo y eficiente las alas fijas y la propulsión independiente a éstas. Los helicópteros combinan ambas cosas obteniendo más maniobrabilidad en detrimento de su autonomía y velocidad (su consumo energético es mayor).

      Por su parte, a la biología le resulta, si no imposible, harto difícil replicar un rotor mecánico. ¿Te imaginas un ave con hélices o jets? Difícil. A los pulpos les funciona la propulsión jet porque el agua es más densa que el aire, para un ave sería muy ineficiente. Así pues, las aves tienen alas batientes, más complicadas que las alas fijas, pero ambas obtienen sustentación en base al mismo principio:

      http://www.lapizarradeyuri.com/2010/12/16/asi-vuela-un-avion/

      En segundo lugar está el asunto de la escala: cuanto más pequeña, “volar” se parece más a “nadar en el aire”. Así los insectos voladores (y algunas aves muy ligeras como el colibrí) vuelan gracias a un principio distinto, obteniendo sustentación mediante vórtices:

      https://francis.naukas.com/2008/08/31/por-cierto-como-vuela-una-mosca/

      Lo cual puede tener interesantes aplicaciones en minidrones:

      https://francis.naukas.com/2013/05/07/picorobots-inspirados-en-el-vuelo-de-las-moscas/

      1. Claro está que las alas de las aves aportan sustentación, yo he dicho que en los aviones las alas SOLO aportan sustentación, mientras que en las aves además de sustentación deben aportar la propulsión. Efectivamente en las aves más grandes la aerodinámica se parece más a la de los aviones, por ejemplo un buitre pasa la mayor parte del tiempo planeando aprovechando las corrientes de convección, sin apenas batir las alas, mientras que cuanto más pequeña es el ave más cambia la aerodinámica respecto a la de los aviones. El vuelo de un colibrí no tiene nada que ver con el de un buitre, como es evidente. El “revoloteo” no es un vuelo ni como el de los aviones ni como el de los helicópteros, aunque en todo caso creo que es más parecido al de estos últimos. Puesto que hay aves de todos los tamaños, el cambio de un modelo a otro es gradual.
        Y sí, hay un caso de rotor biológico: el flagelo bacteriano:
        http://www.youtube.com/watch?v=Ey7Emmddf7Y

      2. Gracias, daniel. Excelente vídeo. Los microorganismos son nanomáquinas, y a esa escala molecular casi cualquier cosa es posible 🙂

        Por descontado yo me refería a la “imposibilidad” (nótese las comillas) de rotores en los MACROorganismos, o sea, el porqué los macroanimales tienen extremidades “vaivén” en vez de ruedas o hélices.

        El libro que recomiendas parece que sintetiza todos los conceptos que de manera dispersa ya tengo más o menos claros. Pero igual luce MUY sabroso, veré si puedo conseguirlo.

        Para terminar, quiero aclarar que el “me parece” de tu primer comentario fue una entrada servida en bandeja de plata para repasar varios conceptos, fundamentalmente para otros curiosos que pasen por aquí. Es evidente que tú ya habías leído esos links pues en ellos apareces como comentarista, asumiendo que se trata del mismo daniel.

        Saludos.

  2. Fascinante entrada, Francis, a la que me gustaría agregar un punto que no has tocado quizá por ser demasiado obvio.

    Evidentemente una mosca es mucho más pequeña que un ser humano. Esto implica que sus neurotransmisores recorren distancias mucho más cortas, o sea, tienen reflejos mucho más rápidos que los nuestros. Es otro factor no menor de porqué las condenadas son tan difíciles de cazar a mano desnuda 🙂

    Saludos.

      1. Gracias, Francis. Muy buenos los links. Especialmente notable es el cuadro comparativo del primer link. Hay excepciones a la regla muy curiosas. En base a nuestra experiencia diaria, cualquiera pensaría que la rata (rattus norvegicus) o el gato (felis catus) deberían tener un CFF más elevado que el nuestro, y no es así. Asombroso.

        Lo que no me tomó por sorpresa es el CFF del homo sapiens: 60. Es el frame rate estándar de una pantalla de ordenador (60 Hz) 😉

        La relación entre metabolismo y percepción temporal ya me era familiar. Por ejemplo, ahora mismo recuerdo un documental sobre un estudio acerca de la capacidad perceptiva del murciélago, su habilidad para analizar en “tiempo real” la maraña de ecos que le permiten discernir el entorno.

        La conclusión fue que no tenía tiempo para hacerlo, a menos que su percepción temporal fuera en “cámara lenta”. Y en efecto, cuando no está aletargado, el murciélago tiene un metabolismo alto, consume diariamente al menos su propio peso en alimento.

        Saludos.

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