Hace unos 350 millones de años, nuestro planeta presenció la evolución de las primeras criaturas voladoras. Todavía están por aquí, y algunas de ellas continúan molestando con su zumbido. Mientras que los científicos han clasificado a estas criaturas como pterigotas, el resto del mundo simplemente las llama insectos alados.
Hay muchos aspectos de la biología de los insectos, especialmente su vuelo, que siguen siendo un misterio para los científicos. Uno es simplemente cómo mueven sus alas. La bisagra del ala del insecto es una articulación especializada que conecta las alas de un insecto con su cuerpo.
Está compuesta por cinco estructuras en forma de placa interconectadas llamadas escleritos. Cuando estos platos son desplazados por los músculos subyacentes, hace que las alas del insecto aleteen.
Hasta ahora, ha sido difícil para los científicos entender la biomecánica que gobierna el movimiento de los escleritos incluso utilizando tecnologías avanzadas de imagen.
«Los escleritos dentro de la bisagra del ala son tan pequeños y se mueven tan rápidamente que su funcionamiento mecánico durante el vuelo no ha sido capturado con precisión a pesar de los esfuerzos utilizando fotografía estroboscópica, videografía de alta velocidad y tomografía por rayos X», dijo Michael Dickinson, profesor Zarem de biología y bioingeniería en el Instituto de Tecnología de California (Caltech).
Como resultado, los científicos no pueden visualizar exactamente lo que está sucediendo a nivel microscópico dentro de la bisagra del ala mientras vuelan, lo que les impide estudiar detalladamente el vuelo de los insectos. Sin embargo, un nuevo estudio realizado por Dickinson y su equipo finalmente reveló el funcionamiento de los escleritos y la bisagra del ala del insecto.
Capturaron el movimiento de las alas de las moscas de la fruta (Drosophila melanogaster) analizando 72,000 aleteos grabados utilizando una red neuronal para decodificar el papel que juegan los escleritos individuales en la formación del movimiento del ala del insecto.
Entendiendo la bisagra del ala de los insectos
La biomecánica que gobierna el vuelo de los insectos es bastante diferente de la de las aves y los murciélagos. Esto se debe a que las alas de los insectos no evolucionaron a partir de extremidades.
«En el caso de las aves, los murciélagos y los pterosaurios sabemos exactamente de dónde vinieron las alas evolutivamente porque todos estos animales vuelan con sus extremidades anteriores. Básicamente están usando sus brazos para volar».
«En los insectos, es una historia completamente diferente. Evolucionaron a partir de organismos de seis patas y mantuvieron las seis patas. Sin embargo, agregaron apéndices oscilantes al lado dorsal de su cuerpo, y es un misterio de dónde provienen esas alas», explicó Dickinson.
Algunos investigadores sugieren que las alas de los insectos provienen de apéndices tipo branquia presentes en antiguos artrópodos acuáticos. Otros argumentan que las alas se originaron a partir de «lóbulos», protuberancias especiales encontradas en las patas de antiguos crustáceos, que fueron ancestros de los insectos. Este debate sigue en curso, por lo que su evolución no puede decirnos mucho sobre cómo operan la bisagra y los escleritos.
Entender la mecánica de la bisagra es crucial porque es lo que hace que los insectos sean criaturas voladoras eficientes. Les permite volar a velocidades impresionantes en relación con sus tamaños corporales (algunos insectos pueden volar a 33 km/h) y demostrar gran maniobrabilidad y estabilidad durante el vuelo.
«La bisagra del ala del insecto es probablemente una de las estructuras esqueléticas más sofisticadas e importantemente evolutivas en el mundo natural», según los autores del estudio.
Sin embargo, ha sido imposible imaginar la actividad de cuatro de los cinco escleritos que forman la bisagra debido a su tamaño y a las velocidades a las que se mueven. Dickinson y su equipo emplearon un enfoque multidisciplinario para superar este desafío.
Diseñaron un aparato equipado con tres cámaras de alta velocidad que registraron la actividad de moscas de la fruta atadas a 15,000 cuadros por segundo utilizando luz infrarroja. También utilizaron una proteína sensible al calcio para rastrear cambios en la actividad de los músculos direccionales de los insectos mientras volaban (el calcio ayuda a desencadenar contracciones musculares).
«Registramos un total de 485 secuencias de vuelo de 82 moscas. Después de excluir un subconjunto de aleteos de las secuencias cuando la mosca dejó de volar o voló a una frecuencia de aleteo anormalmente baja, obtuvimos un conjunto de datos final de 72,219 aleteos», señalan los investigadores.
Luego, entrenaron una red neuronal convolucional (CNN, por sus siglas en inglés) basada en aprendizaje automático utilizando el 85 por ciento del conjunto de datos. «Utilizamos el modelo CNN para investigar la transformación entre la actividad muscular y el movimiento del ala realizando un conjunto de manipulaciones virtuales, explotando la red para realizar experimentos que serían difíciles de realizar en moscas reales», explicaron.
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Además de la red neuronal, también desarrollaron una red neuronal codificador-decodificador (una arquitectura utilizada en el aprendizaje automático) y le proporcionaron datos relacionados con la actividad muscular direccionable.
Mientras que el modelo CNN podía predecir el movimiento del ala, el codificador/decodificador podía predecir la acción de los músculos individuales de los escleritos durante el movimiento de las alas. Ahora, era hora de comprobar si los datos que predijeron eran precisos.
Probando las predicciones en una mosca robot
Los experimentos virtuales realizados utilizando el CNN revelaron que la bisagra funcionaba en coordinación con 12 músculos direccionales (dispuestos en cuatro grupos) para controlar el movimiento del ala.
«El mayor hallazgo de nuestro estudio es que pudimos aislar lo que hacen los diferentes músculos direccionales para el control del vuelo de un insecto. Hay cuatro grupos de músculos que se unen a cuatro escleritos, y descubrimos que estos cuatro grupos musculares tienen acciones diferentes sobre el patrón de movimiento del ala.
Es controlando estos cuatro grupos musculares que un insecto es capaz de controlar el movimiento del ala de una manera muy sutil pero precisa para producir todas las maniobras ágiles que pueden generar», dijo Dickinson.
Utilizando esta información, los investigadores construyeron un pequeño robot alado y utilizaron las predicciones del modelo CNN para probar la fuerza aerodinámica que generaba. Luego, utilizando los datos aerodinámicos, realizaron algunas simulaciones para probar aún más si la actividad muscular vinculada al movimiento del ala por CNN podría generar maniobras de vuelo libre como las realizadas por moscas reales.
«Cuando incrustamos el modelo de bisagra CNN en una simulación de espacio de estados de diferentes maniobras de vuelo canónicas, los resultados se parecían al comportamiento conocido de las moscas volando libremente.
Además, cuando construimos un codificador-decodificador en el que la actividad muscular direccionable se dividió en nodos que representaban los grupos musculares insertados en cada uno de los cuatro escleritos del ala, las predicciones del modelo fueron consistentes con características conocidas de la morfología de la bisagra y diferencias en los patrones de inserción de los músculos de control», dicen los autores del estudio.
Dickinson y su equipo esperan que estos resultados permitan a los científicos profundizar en su comprensión del vuelo de los insectos y puedan contribuir al desarrollo de robots voladores inspirados en insectos mejores y más eficientes. Actualmente están estudiando mosquitos y también planean estudiar otros insectos en el futuro para entender cómo evolucionó la bisagra del ala en linajes con planes corporales distintos.
Fuente: arstechnica.com