Veja rapidamente esta truta a nadar rio acima. Notar algo invulgar?
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Crédito de imagem: Beal, et al. Propulsão passiva em velórios de vórtice. Journal of Fluid Mechanics
>br> Provavelmente já viu algo semelhante inúmeras vezes; os peixes agitam-se contra as correntes que os empurram para trás, avançando lentamente até se virarem e patos fora da influência do ribeiro. Nada de especial nisso.
A única coisa é, este peixe em particular está morto.
Sim, leu bem. Não importa o quão realista pareça, uma vez que se ondula através do aquário, essa mesma truta apenas se levantaria de barriga para cima se a corrente fosse desligada. Então como é que ela pode nadar rio acima?
Uma equipa de investigadores do MIT e de Harvard ficaram igualmente surpreendidos quando aconteceram a este fenómeno por acidente. Tinham estudado a forma como as trutas vivas conservam energia nadando atrás de obstáculos que bloqueiam a corrente*, e involuntariamente colocaram um peixe morto na instalação experimental. Quando olharam mais de perto, ficaram atónitos.
“Foi incrível, muito contraintuitivo”, diz o investigador do MIT Michael Triantafyllou, descrevendo o choque que sentiu ao ver os peixes a nadar rio acima. Ele explica que embora soubesse que as trutas eram boas a conservar e até a extrair energia, não fazia ideia de que seriam capazes de extrair energia suficiente do fluido circundante para nadar rio acima sem gastar nenhuma da sua própria energia. Imediatamente, a equipa começou a investigar este novo fenómeno, aparentemente impossível.
No final, objectos que bloqueiam o fluxo natural da água, como uma rocha ou um barco, criam uma série de vórtices complexos na corrente à medida que a água navega no obstáculo. Como qualquer pessoa que tenha tentado agarrar um peixe sabe, os peixes são bastante flexíveis todos os seus espinhos, o que permite que a cabeça e a cauda se movam independentemente uns dos outros. Em certas situações, o conjunto de vórtices que se formam atrás de um obstáculo faz com que o corpo e a cauda se abanem em ressonância. Isto inclina o corpo de tal forma que os vórtices, que causam uma queda de pressão, aplicam uma força de sucção que impulsiona o peixe para a frente.
>p>p>Known como uma “rua de vórtice”, este comportamento fluido emerge a uma ampla gama de escalas – dos rios aos céus.
Cesareo de la Rosa Siqueira br>Como explica Triantafyllou, “Tem um fluxo atrás do obstáculo, que cria um fluxo contínuo de eddies. Cada redemoinho contém energia e também provoca a queda da pressão no fluido… o redemoinho faz com que o corpo se agache para trás e para a frente, e o peixe consegue extrair energia”. Uma vez que toda a energia é fornecida pelos vórtices, não importa de todo se o peixe está vivo ou morto, se o timing for o correcto.
Num mundo onde estamos sempre a tentar melhorar a eficiência, esta descoberta tem implicações óbvias para os veículos aquáticos. De facto, Triantafyllou diz que um grande factor limitativo na nossa exploração dos oceanos é o facto de os dispositivos robóticos que são frequentemente utilizados tenderem a ter uma duração de bateria muito curta, normalmente apenas 8 horas. Ao criarmos novos dispositivos modelados depois da truta, poderíamos praticamente eliminar este constrangimento.
Há, naturalmente, um senão. Este grupo de investigadores teve muita sorte em acontecer com o fenómeno, porque para que o peixe extraia energia suficiente da corrente para superar o seu próprio arrastamento, deve ser posicionado com muito cuidado: demasiado longe, e os vórtices não são suficientemente poderosos; demasiado perto, e a sucção do obstáculo puxa-o para dentro. Quando montam a experiência com uma truta morta, atingem acidentalmente o ponto doce, mas, como comenta Triantafyllou, “Se o quiserem fazer na vida real, não podem contar com acidentes”. Em vez disso, os peixes vivos têm sensores extraordinários que lhes permitem criar um mapa do fluxo de água para que possam ajustar as suas posições para serem o mais energeticamente favoráveis possível.
Claramente, antes que a próxima geração de robôs possa iniciar as suas explorações, teremos de equipá-los com sensores semelhantes. Enquanto o projecto do peixe morto foi concluído há mais de uma década, Triantafyllou está actualmente a trabalhar com os parceiros Gabriel Weymouth (da Universidade de Southampton) e Jianmin Miao (da Universidade Tecnológica de Nanyang) para desenvolver esta tecnologia – mais inspirando-se na natureza.
Um dos seus projectos examina a “linha lateral” do peixe, um órgão evidenciado por uma fila de escamas pontilhadas ao longo dos lados do peixe que pode detectar a velocidade e pressão da água à sua volta. Embora a estrutura física das unidades sensoriais seja razoavelmente bem compreendida – colocado de forma simples, são feixes de células capilares encapsuladas num material gelatinoso – é extremamente difícil realizar os cálculos necessários para reconstruir um mapa espacial a partir da entrada de cada sensor.
Outra abordagem que mostra que a promessa vem antes do selo do porto. Estes predadores têm bigodes extremamente sensíveis que podem detectar as perturbações deixadas por potenciais presas até 30 segundos após a sua passagem. É também capaz de distinguir a forma básica (quadrado, triângulo) de um objecto em movimento através da água. O grupo de Triantafyllou conseguiu imprimir “bigodes” em 3D modelados a partir dos reais, que têm uma qualidade “ondulada” para eles, pois variam em diâmetro.
Este trabalho, que incorpora elementos de biologia, mecânica dos fluidos e engenharia, é apenas um exemplo de biomimética, um campo que tem contribuído com inovações, incluindo velcro e vidro à prova de aves. Como Triantafyllou o descreve, a biomimética é “aprender com organismos naturais de forma gratuita para encontrar algumas soluções realmente engenhosas”. A ideia é que uma vez que a evolução é essencialmente um sistema gigantesco de optimização – seleccionando o desenho corporal mais eficiente para nadar a montante, por exemplo – podemos tirar partido das soluções de engenharia que já foram desenvolvidas através deste processo. Claramente, este tesouro de engenhosidade orgânica é um recurso natural tremendo que só agora começámos a explorar.
-Eleanor Hook
*A propósito, é de supor que esta é a razão pela qual os peixes nadam em cardumes; aqueles que nadam na esteira dos seus companheiros gastam muito menos energia do que de outra forma. Para mais informações sobre isto, consulte o nosso podcast e o nosso post de 2015: “Flocos e Fluidos”.