Las espinas de erizo de mar no solo sirven para la defensa, sino que también actúan como sensores naturales. Un equipo de investigación liderado por el Prof. WANG Zuankai, Vicepresidente Asociado (Investigación e Innovación), Decano de la Escuela de Posgrado, Profesor del Grupo Kuok en Ingeniería Inspirada en la Naturaleza y Profesor Catedrático del Departamento de Ingeniería Mecánica de The Hong Kong Polytechnic University (PolyU), junto con académicos de City University of Hong Kong (CityU) y Huazhong University of Science and Technology (HUST), ha descubierto la percepción mecanoelectrica en las espinas de erizo de mar, originada en su estructura porosa gradiente, que permite a las espinas detectar instantáneamente el flujo de agua. Utilizando la impresión 3D, el equipo ha replicado esta estructura y ha desarrollado un sensor metamaterial biónico, que promete avances en la tecnología de detección. Esta innovación impulsará el avance de la tecnología de aguas profundas, como la monitorización marina y la gestión de infraestructuras submarinas, y puede extenderse a otros campos emergentes como la interfaz cerebro-computadora y la aeroespacial.
El equipo de investigación descubrió que, en el erizo de mar de espinas largas (Diadema setosum), cuando una gota de agua de mar golpea la punta de una espina, esta rota rápidamente en menos de un segundo. Las mediciones eléctricas revelaron que la simulación de una gota produjo un voltaje de aproximadamente 100 milivoltios dentro de la espina; cuando la espina está sumergida en agua, la estimulación del flujo de agua desencadena un voltaje de varias decenas de milivoltios. Esta percepción mecanoelectrica se observó incluso en espinas muertas, lo que indica que el mecanismo no está relacionado con las células biológicas.
Esta respuesta se origina en la estructura estereoma de la espina, el esqueleto interno poroso compuesto por poros de diferentes tamaños y distribuciones. Estos poros exhiben un gradiente gradual a lo largo de la espina desde la base hasta la punta: poros más grandes y menor densidad sólida en la base, y poros más pequeños y mayor densidad sólida en la punta, formando una estructura porosa bicontinua gradiente. A medida que el agua fluye a través de la estructura porosa, se produce una interacción sólido-líquido y el flujo ejerce una fuerza de cizallamiento sobre la doble capa eléctrica, induciendo la separación y redistribución de la carga interfacial, lo que genera una diferencia de voltaje. La estructura gradiente intensifica la interacción entre el flujo de agua y las superficies de los poros, lo que resulta en una diferencia de voltaje más fuerte y mejora las capacidades de detección de la espina.
Inspirados por estos hallazgos, los investigadores utilizaron la impresión 3D por fotopolimerización en baño para crear muestras artificiales a partir de materiales poliméricos y cerámicos que se asemejan al estereoma de la espina. Los experimentos mostraron que el diseño que imita a la espina produce una salida de voltaje aproximadamente tres veces mayor y una amplitud aproximadamente ocho veces mayor que los diseños no gradientes bajo estimulación del flujo de agua, lo que demuestra que la clave de la percepción mecanoelectrica reside en la estructura más que en el material. También construyeron un mecanorreceptor metamaterial 3D biónico que está diseñado en una matriz de 3 × 3 con cada unidad hecha de material poroso gradiente. Este mecanorreceptor puede registrar señales eléctricas en tiempo real bajo el agua y localizar con precisión la posición del impacto del flujo de agua, sin necesidad de electricidad adicional.
El mecanorreceptor metamaterial 3D biónico del equipo está diseñado en una matriz de 3 × 3, con cada unidad hecha de material poroso gradiente. Puede registrar señales de voltaje en tiempo real bajo el agua y localizar con precisión la posición del impacto del flujo de agua, sin necesidad de electricidad adicional.
El equipo de investigación señala que la estructura porosa gradiente en las espinas de erizo de mar mejora la transmisión de la señal, mejorando así la precisión y la sensibilidad del mecanorreceptor. Al replicar esta estructura en diferentes materiales, es posible extender su aplicación más allá de la detección del flujo de agua a varios tipos de señales, incluyendo aquellas que miden la presión, la vibración y las ondas electromagnéticas. Esto inspirará tecnologías de detección en múltiples campos, como en relación con su uso en interfaces cerebro-computadora para mejorar la detección de ondas cerebrales y señales neuronales, con un tremendo potencial de aplicación.
El Prof. Wang Zuankai dijo: «En comparación con los mecanorreceptores tradicionales, nuestro diseño destaca en la fabricabilidad, la flexibilidad del diseño estructural, la versatilidad de los materiales, el control geométrico y del rendimiento, y la detección submarina en tiempo real. Aprovechando los gradientes de materiales porosos y las tecnologías de impresión 3D, aspiramos a producir más sensores metamateriales inspirados en la naturaleza con una gama de materiales, tamaños de poros y características de superficie que respalden aplicaciones potenciales en muchos campos».
A la vanguardia de la ciencia y la ingeniería inspiradas en la naturaleza, el equipo del Prof. Wang también ha inventado varios materiales nuevos, incluyendo superficies autolimpiantes inspiradas en las hojas de loto capaces de una rápida repelencia al agua, superficies inspiradas en las hojas de Araucaria que permiten el transporte de líquidos autopropulsados y estructuras anti-hielo que logran la eyección espontánea de gotas congeladas replicando el mecanismo biológico del lanzamiento de esporas en los hongos. Él prevé que su investigación abrirá nuevas vías para el desarrollo de materiales inspirados en la naturaleza.
«Para los materiales porosos naturales, las propiedades mecánicas como la resistencia pueden no ser la función principal, sino más bien un subproducto de la biomineralización compleja. Descubrir mecanismos previamente desconocidos que se encuentran más allá de la función tradicionalmente reconocida de un material nos ayuda a comprender y utilizar plenamente estos recursos naturales. Esto es crucial para avanzar en la investigación biomimética», añadió.
Esta investigación conjunta fue co-dirigida por el Prof. LU Jian de CityU, y el Prof. YAN Chunze y el Prof. SU Bin de HUST. Los hallazgos del estudio han sido publicados en la revista internacional Nature.
