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| Photo by Waldemar Brandt on Unsplash |
La probóscide (trompa) del elefante muestra una extraordinaria versatilidad cinemática, ya que puede manipular una simple brizna de hierba pero también transportar cargas de hasta 270 kilogramos. Utilizando tecnologías de captura de movimiento desarrolladas para la industria cinematográfica, un equipo de científicos de la Universidad de Ginebra (UNIGE), en Suiza, demuestra que los complejos comportamientos de la trompa del elefante surgen de la combinación de un conjunto finito de movimientos básicos como la propagación de una curvatura hacia dentro y la formación de pseudoarticulaciones. Además, el equipo suizo demuestra que la velocidad de la trompa del elefante obedece a una ley matemática observada en los movimientos de dibujo de la mano humana. Estos resultados se publican en la revista Current Biology.
Los cuerpos articulados, como el esqueleto humano, están formados por articulaciones en serie, lo que limita el número de movimientos posibles que pueden realizar. Por el contrario, la trompa de los elefantes es flexible en toda su longitud: las contracciones coordinadas de los músculos dan lugar a torsiones, flexiones, alargamientos, acortamientos y rigideces, sin ningún soporte óseo. Estos cambios de forma dependen del volumen constante de los tejidos autoportantes de la trompa, lo que permite una variedad de movimientos mucho mayor en comparación con los apéndices articulados. Por lo tanto, entender cómo el elefante se enfrenta a esta complejidad y consigue controlar el movimiento de su trompa es un problema desafiante. Para investigar esta cuestión, un equipo multidisciplinar dirigido por Michel Milinkovitch, profesor del Departamento de Genética y Evolución de la Facultad de Ciencias de la UNIGE y jefe de grupo del Instituto Suizo de Bioinformática SIB, combinó experimentos de comportamiento y de captura de movimientos con imágenes médicas de última generación.
De Gollum a la trompa de elefante
En primer lugar, los investigadores colocaron marcadores reflectantes a lo largo de las trompas de dos elefantes africanos adultos y registraron con gran precisión sus trayectorias en 3D utilizando múltiples cámaras de infrarrojos colocadas alrededor de la escena. Esta tecnología está tomada de la industria cinematográfica: Gollum en El Señor de los Anillos o Na'vis en Avatar cobraron vida transponiendo a personajes creados digitalmente los movimientos de actores que llevaban marcadores de captura de movimiento.La solución es simplificar
El equipo suizo demuestra hoy que los elefantes utilizan un principio de simplificación fundamental: las sofisticadas trayectorias de la trompa se componen utilizando un lenguaje de bloques de construcción cinemática. En efecto, los investigadores identificaron un conjunto de unos 20 movimientos simples básicos (el equivalente a nuestras palabras) que son combinados por la trompa para producir un comportamiento complejo específico, del mismo modo que una frase compleja se compone de la combinación de palabras. Los elementos que se seleccionan y combinan dependen de la tarea que realiza el elefante. "Cuando agarra y asegura un objeto para transportarlo, la trompa exhibe una flexión localizada que va desde su punta hasta sus partes más basales, mientras que cuando el elefante alcanza un objetivo frente a él, extiende y retrae partes específicas de su trompa de forma modular", explica Paule Dagenais, investigadora del equipo de Milinkovitch. La variación de los atributos de los objetos indujo transiciones en las estrategias de prehensión correspondientes a diferentes combinaciones de los 20 bloques de construcción. Por ejemplo, al agarrar un disco ligero de madera, el animal utiliza la succión como fuerza de elevación. Por otro lado, la succión sólo se utiliza para asegurar la posición de un disco más pesado (metálico) mientras la trompa lo envuelve para reforzar el agarre.
Articulaciones virtuales, una misteriosa ley matemática y biomimetismo
Cuando el objetivo se coloca más a un lado, la estrategia de alcance de los elefantes es muy peculiar: la probóscide continua forma segmentos rígidos conectados por articulaciones virtuales, dando momentáneamente la impresión de un codo y una muñeca. "Además, descubrimos que la velocidad de la trompa al seguir una curva puede predecirse con precisión en función de la curvatura local de esa trayectoria; sorprendentemente, esa relación matemática entre la velocidad y la curvatura de la trayectoria también existe para la mano humana al dibujar", continúa Michel Milinkovitch. Por último, mediante el uso de la más moderna tomografía computarizada (TC), la resonancia magnética (RM) y el seccionamiento en serie, el equipo suizo caracterizó la anatomía de las trompas de los elefantes africanos y asiáticos con un detalle sin precedentes. Al analizar estos datos anatómicos a la luz de los resultados conductuales y cinemáticos, los investigadores pudieron establecer una fuerte conexión entre el sistema muscular de la trompa y sus funciones biomecánicas.
Todos estos resultados servirán como base de desarrollo de un nuevo concepto de manipulación robótica blanda que permitiría a los robots bioinspirados detectar, alcanzar, agarrar, manipular y liberar toda una serie de cargas útiles y objetos de diversas formas y tamaños.
Fuentes, créditos y referencias:
Elephants evolved strategies reducing the biomechanical complexity of their trunk, Current Biology (2021). DOI: 10.1016/j.cub.2021.08.029