Torne-se perito

A cauda dos cavalos-marinhos é rígida, flexível e resistente ao mesmo tempo

Estes pequenos peixes acouraçados possuem uma cauda feita de segmentos ósseos quadrados. Para que serve esta arquitectura fora do comum?

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Modelos produzidos com impressoras 3D para testar as propriedades da cauda dos cavalos-marinhos Michael Porter/Universidade de Clemson
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Ossos da ponta da cauda de um cavalo- marinho (Hippocampus capensis) tingido com um pigmento Cortesia de Dominique Adriaens/Universidade de Gant
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Secção transversal do esqueleto da cauda de um cavalo-marinho Michael Porter/Universidade de Clemson

Na maioria dos animais com cauda – incluindo alguns macacos, lagartixas e roedores – a cauda é um apêndice cilíndrico e mole. Mas não no cavalo-marinho, cuja cauda é constituída por segmentos de secção… quadrada. Uma equipa internacional de cientistas quis saber o porquê desta originalidade anatómica – e com base nos resultados, conclui que ela poderá inspirar, no futuro, o desenvolvimento de robôs com arquitecturas corporais mais versáteis. O seu trabalho foi publicado na última edição da revista Science.

O cavalo-marinho é um animalzinho surpreendente a vários títulos. Por exemplo, cientistas descobriram, em 2013, que a forma da sua cabeça, ao nível das narinas, constitui um autêntico “manto de invisibilidade”, que torna este peixinho couraçado num temível predador, capaz de apanhar, apesar de ser lento e manso, a sua refeição favorita: um minúsculo crustáceo que nada a velocidades quase imbatíveis.  

Segundo um comunicado a Universidade do Oregon (EUA), onde trabalha um dos co-autores do novo estudo, embora se trate tecnicamente de um peixe, milhões de anos de evolução fizeram com que a cauda do cavalo-marinho – dura mas capaz de se enrolar – já quase não lhe sirva para nadar. Serve-lhe sobretudo para se agarrar firmemente a algas ou corais – e esperar, quietinho, que o seu almoço passe por lá.

Porém, o que estimulou agora a curiosidade de Michael Porter, engenheiro da Universidade de Clemson (EUA) que liderou o estudo, e dos seus colegas, foi a invulgar forma dessa cauda.

Como escreve Miriam Ashley-Ross, especialista de morfologia funcional da Universidade de Wake Forest (EUA), num comentário na mesma edição da revista: “Quando um organismo vivo desvia da norma, existe habitualmente uma boa razão biomecânica para isso – [o desvio] indica que foi preciso resolver algum problema específico”. E foi à procura dessa razão (ou razões) que Porter e a sua equipa multidisciplinar – onde se inclui Dominique Adriaens, especialista de biologia evolutiva na Universidade de Gant (Bélgica) – decidiram lançar-se.

A cauda do cavalo-marinho é composta por uns 36 segmentos, cada um feito de quatro placas ósseas em forma de L que, juntas, formam uma estrutura quadrada, lê-se num comunicado da Universidade da Califórnia (UC), onde trabalham dois co-autores do estudo. A meio de cada lado desse quadrado, as extremidades de cada um dos quatro ossos em L estão ligadas de forma flexível às dos ossos L adjacentes. Os segmentos quadrados estão por sua vez ligados às vértebras da cauda do animal (que estão no centro da estrutura em quadrado) por espessas camadas de colagénio. Diga-se por último que as articulações – respectivamente entre as vértebras e entre as placas ósseas quadradas – permitem que a cauda se curve e até se enrole sobre si própria.

Para analisar as propriedades mecânicas desta estrutura, os autores construíram, utilizando impressoras 3D, modelos feitos de plástico duro, molas e elásticos que imitavam a anatomia da cauda dos cavalos-marinhos – só que de maior tamanho. Também criaram um modelo de cauda semelhante, mas de secção circular (com cada segmento feito de quatro arcos de círculo). Apesar de não existir uma cauda cilíndrica deste tipo na Natureza, esse segundo modelo ir-lhes-ia permitir testar as eventuais vantagens da cauda “quadrada”.

“Descobrimos então que as caudas de secção quadrada são mais eficazes para agarrar coisas, bem como para a protecção” da delicada espinhal medula dos cavalos-marinhos, explica Porter no comunicado da UC. Em particular, a cauda de secção quadrada revelou-se mais resistente à torsão.

Uma outra propriedade notável do modelo de cauda inspirado pelo cavalo-marinho é que os seus segmentos quadrados tornam esta estrutura ao mesmo tempo mais rígida, mais forte e mais resistente às deformações. Ora, em geral, quando uma destas características é reforçada numa estrutura mecânica de fabrico humano, pelo menos uma das duas outras fica enfraquecida, faz notar Porter.

“Os engenheiros costumam construir coisas que são rígidas para serem mais fáceis de controlar”, diz Ross Hatton, co-autor da Universidade Estadual do Oregon (EUA), no comunicado daquela instituição. “Mas a Natureza constrói coisas que são suficientemente fortes para não quebrar e suficientemente flexíveis para desempenhar um amplo leque de tarefas. É por isso que poderá ser possível inspirarmo-nos nos animais para desenvolver uma nova geração de robótica”.

A descoberta talvez mais surpreendente aconteceu quando os cientistas experimentaram literalmente esmagar o modelo da cauda de secção quadrada, batendo-lhe com um martelo de borracha. Aí, ele demonstrou uma maior capacidade de conservar a sua forma – e de recuperar do impacto – do que o modelo de secção circular.

A explicação desta última característica? Como os lados de um quadrado são rectos, os lados dos segmentos quadrados da cauda conseguem “encolher” sem que o conjunto mude de forma, absorvendo assim eficazmente a energia do choque, explicam os autores. Pelo contrário, no caso de segmentos feitos de quatro elementos curvos, o esmagamento provoca uma deformação irreversível: a secção passa de circular para elíptica e já não consegue regressar à sua forma inicial.

A equipa de Porter está agora a investigar como utilizar este tipo de estrutura em aplicações tecnológicas. Uma possibilidade seria a construção de braços robóticos preênseis capazes de operar em ambientes particularmente hostis.

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