El insecto (casi) indestructible

Con uno de los nombres más impresionantes del reino animal, el escarabajo diabólico acorazado (Phloeodes diabolicus), que es originario de los hábitats desérticos del sur de California, en Estados Unidos, es una criatura formidable, capaz de seguir con vida después de las pasar por pruebas muy duras.

Este insecto tiene un exoesqueleto que es una de las estructuras más resistentes a la compresión y el aplastamiento que se conocen en el reino animal, a tal punto que incluso puede sobrevivir si es aplastado por un automóvil en marcha y las aves, lagartos y roedores que intentan comérselo, lo consiguen en raras ocasiones, según informa un equipo de científicos de materiales de la Universidad de California, Irvine (UCI) la UCI (https://uci.edu).

Los investigadores estudian los componentes y las arquitecturas responsables de hacer que esta criatura sea tan resistente, casi indestructible y han concluido que depende de dos factores clave: su capacidad para hacerse el muerto de manera convincente ante sus depredadores y su exoesqueleto (esqueleto externo).

En un artículo publicado en la revista Nature, los científicos de la UCI y otras instituciones revelan los componentes y diseños del material del escarabajo, que hacen que sea tan resistente, además de demostrar cómo los ingenieros podrían sacar provecho de estos diseños biológicos.

“El ‘acorazado’ es un escarabajo terrestre, por lo que no es liviano y rápido, sino que está construido más como un pequeño tanque”, señala el investigador David Kisailus, coautor del trabajo y profesor de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la UCI.

Explica que se trata de una adaptación biológica: “dado que no puede volar, este insecto simplemente se queda quieto y deja que su armadura especialmente diseñada resista el ataque hasta que el depredador “se rinda” y deje de intentar comérselo.

“En su hábitat desértico en el suroeste estadounidense, este escarabajo se puede encontrar bajo las rocas y en los árboles, apretado entre la corteza y el tronco, otra razón por la que necesita tener un exterior duradero”, explica Kisailus.

UN INSECTO ‘INAPLASTABLE’

El coautor Jesús Rivera, graduado en el laboratorio de Kisailus durante el proyecto y ahora doctor, recogió los escarabajos de los alrededores de un campus de la UCI y los llevó al laboratorio de Kisailus, donde fueron sometidos a pruebas de compresión.

Descubrieron que el ‘Phloeodes diabolicus’ puede soportar una fuerza de aproximadamente 39.000 veces su peso corporal. Un hombre de 200 libras (90 kilogramos) tendría que soportar el aplastante peso de 7, 8 millones de libras (3,5 millones de kilos) para igualar esta hazaña, de acuerdo a esta universidad californiana.

Mediante una serie de experimentos, Rivera y Kisailus descubrieron que el secreto de la resistencia de esta criatura está en la composición material y en la arquitectura de su exoesqueleto, y más concretamente, en las de sus élitros.

Kisailus explica que en los escarabajos voladores, “los élitros son unas láminas delanteras endurecidas que se abren y cierran para proteger a las ‘alas de vuelo’ de las bacterias, la desecación y otras fuentes de daño, mientras que los élitros del acorazado han evolucionado para convertirse en un sólido escudo protector”.

El análisis de Kisailus y Rivera mostró que los élitros constan de capas de quitina, un material fibroso, y de una matriz de proteína. En colaboración con investigadores de la Universidad de Agricultura y Tecnología de Tokio (www.tuat.ac.jp/en), comprobaron que su exoesqueleto tiene una concentración de proteína un 10% mayor en peso que la de los de los escarabajos voladores lo que, según los científicos, contribuye a la mayor dureza de sus élitros.

UNA GEOMETRÍA DE ROMPECABEZAS

El equipo también investigó la geometría de la sutura medial que une las dos partes (palas) de los élitros y descubrió que se parece a las piezas entrelazadas de un rompecabezas y que, cuando es sometida a una compresión, en vez de romperse o sufrir una división catastrófica en la zona del ‘cuello’ del insecto, se deslamina, fracturándose en capas, según la UCI.

Un examen microscópico adicional reveló que las superficies externas de estas palas presentan unos conjuntos de elementos en forma de varilla que los científicos creen que actúan como almohadillas de fricción, dando resistencia al deslizamiento.

Exámenes posteriores confirmaron que la geometría, los componentes del material, su ensamblaje y su disposición en forma de láminas en el exoesqueleto del escarabajo, ‘trabajan en equipo’ para convertirlo en una estructura dotada de la máxima resistencia, robustez y durabilidad.

Kisailus y su laboratorio ha fabricado materiales compuestos avanzados reforzados con fibra basados en sus características y diseño. Con ellos han fabricado, utilizando técnicas de impresión 3D, una serie de estructuras que exhiben las mismas cualidades que el modelo biológico en el que se basan.

Los investigadores creen que los materiales y diseños basados en el exoesqueleto del ‘acorazado’ permitirán desarrollar nuevas formas de fusionar segmentos de aeronaves sin usar los remaches y sujetadores tradicionales, cada uno de los cuales representan un punto de tensión en la estructura de la aeronave.

En ese sentido imitaron las piezas elípticas y entrelazadas del exoesqueleto del insecto con plásticos reforzados con fibra de carbono y las unieron a un acoplamiento metálico, comprobando que esa estructura biomimética (inspirada en la naturaleza) era más fuerte y resistente que los sujetadores estándar usados para unir materiales diferentes en ingeniería aeroespacial.

“Ya comenzamos a traducir los diseños que encontramos en la sutura medial del escarabajo a aplicaciones en la industria aeroespacial”, señala el profesor Kisailus a Efe.

“Cuando se unen dos materiales en un avión, por ejemplo, una estructura compuesta con una parte metálica, se puede usar un sujetador aeronáutico (‘aircraft fastener’, en inglés), pero aunque esta pieza es fuerte, si falla, lo hace catastróficamente”, apunta.

Explica que en sus estudios, conectaron un material compuesto a una pieza de aluminio utilizando la misma estructura que se encuentra en el escarabajo y “esa geometría de rompecabezas proporcionó una alta resistencia, pero también una dureza increíble (alrededor de 100% más que la de un sujetador aeronáutico), y sin fallar catastróficamente, sino más gradualmente, por lo tanto, de manera más segura”.