Que aprendemos de los picapinos en la protección


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Un jugador de fútbol americano recibe en una temporada unos 1.500 impactos en su cabeza. En diez años de vida profesional habrá sufrido mas de 15.000 golpes, sin contar los partidos universitarios o los del colegio. No solamente ocurre en este deporte, otros como el hockey, lacrosse, el ciclismo, el skate, el ski, o las carreras de motos y coches… están contribuyendo a una epidemia de lesiones traumáticas. Se estima que tan solo en los EEUU se producen cerca de 4 millones de conmociones cerebrales cada año debido solamente a la practica del deporte, incluyendo tanto a profesionales como a amateurs y a niños. El asunto no solo ha llegado al Senado sino que la propia NFL (organizadora de fútbol americano) y el fabricante de cascos Riddell,  se enfrentan a una serie de demandas en un litigio que puede tardar años en resolverse y que puede llegar a costar miles de millones de dólares. No en vano en 2006 el jugador estrella del Philadelphia Eagles, Andre Waters, se suicidó como consecuencia de una patología conocida como encefalopatía traumática crónica (CTE), una alteración en su cerebro que derivó en demencia, que fue causada por la repetición de impactos en la cabeza. (+info , artículo en inglés).

Recientemente se está estudiando la capacidad de los pájaros carpinteros (comúnmente llamados picos, pitos, picapinos, torcecuellos, etc.) para amortiguar los impactos. Este grupo de aves está formado por más de 200 especies (45 en América, 13 en Canadá y 11 en Europa), y aunque todos las conocemos, es mucho lo que aún ignoramos sobre ellas. Los Carpinteros son aves únicas debido a que con frecuencia se aferran a los troncos y “taladran” árboles, con tres propósitos distintos: 1) buscar alimento; 2) atraer a potenciales compañeros; y 3) construir nidos. El sistema de amortiguación del carpintero le permite absorber el impacto de picotear con fuerza y repetidamente (de 18 a 25 veces por segundo, 8.000-12.000 veces al día) sobre troncos de árboles, sometiendo a sus cerebros a fuerzas de desaceleración de 1.200 g con cada uno de estos golpes.  Esto es más de 100 veces lo que puede soportar un jugador de fútbol americano sin sufrir una conmoción cerebral, ¡98 g el máximo que resistieron!. A la vez, este sistema de amortiguación es sensible a lo que se mueve dentro de la corteza del árbol, lo que les sirve para detectar y obtener alimento. Fuerza y sensibilidad extraordinarias unidas para un objetivo común. Ninguna otra ave puede hacer esto. Si la fuerza resistida por un carpintero diariamente se aplicará al cráneo de cualquier otro pájaro, su cerebro se convertiría sencillamente en papilla. Pero si cualquiera de nosotros nos golpeáramos la cabeza tan dura y repetidamente contra un árbol, sufriríamos graves daños cerebrales, seguramente irreversibles. Esto fascina actualmente a la neurociencia,  y se están publicando numerosos artículos e incluso recientemente un libro sobre el tema.

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La anatomía de las aves actúa para proteger sus cerebros de cuatro maneras: 1) su pico es duro y resistente pero también elástico; 2) los huesos del cráneo son esponjosos; 3) hay muy poco espacio para que el líquido encéfalo raquídeo reduzca las vibraciones; y 4) el hueso hioideo forma una estructura especial, unida a la lengua, que también amortigua la vibración. Este  minivideo muestra algunas de las estrategias forma/función que la cabeza del ave y sus diferentes elementos ejercen como mecanismo de amortiguación.

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Elementos de la cabeza de un pájaro carpintero en la absorción de impactos

Las fuerzas implicadas en el martilleo de la cabeza suponen una tensión equivalente a mil veces la fuerza de la gravedad. Esto es más de 250 veces la fuerza al que es sometido un astronauta en un cohete durante el despegue. En la mayoría de las aves, los huesos del pico se unen a los huesos del cráneo, pero en el carpintero cráneo y pico están separados por un tejido esponjoso que absorbe el choque cada vez que el pájaro golpea su pico contra un árbol. Pero la propia posición en el árbol es especial en estas aves; las patas son cortas y musculosas, con garras agudas para un agarre vertical firme. En la mayoría de las especies dos dedos apuntan hacia adelante y dos hacia atrás, en forma de “x” (zygodactylos), una disposición perfecta para la escalada. Otra rareza en el grupo de las aves. Este mecanismo de “dedos yugo” le permite trepar con facilidad. Las plumas de la cola funcionan de apoyo, acentuando el apuntalamiento. Otra forma/función espectacular es su lengua. A menudo es hasta cinco veces más larga que el pico, y es tan delgada que puede alcanzar nidos de hormigas en árboles y suelo. También es pegajosa y rugosa y acaba con una punta de lanza, con cerdas apuntando hacia atrás que se unen por pequeñas fibras de colágeno, permitiendo la captura de pequeños insectos. Además, sus terminaciones nerviosas proporcionan al cerebro información sobre el tipo de material con el que está en contacto, permitiendo al carpintero saber si se ha asegurado alimento. El mecanismo para la estrategia en perfecto funcionamiento. Finalmente, el pico es un cincel capaz de penetrar hasta la más dura de las maderas y, a diferencia de las sierras fabricadas por el hombre, su filo nunca necesita afilado.

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El origen y la evolución de los carpinteros permanece confusa. Son muchas y muy diversas las especializaciones que convergen, pero no está clara la presiones ambientales que las han favorecido. Al menos no sabemos responder a ellas. ¿Necesitó en un cierto momento dejar de comer del suelo (algunos los siguen haciendo) para explorar nuevos nichos, como los árboles? Pero la longitud de la lengua, la robustez del pico y la anatomía podal y de la cola son rasgos fenotípicos cuya convergencia requiere mucho tiempo como para ser la respuesta a la exploración de nuevas fuentes alimenticias. ¿Cómo supo de la existencia de alimento bajo un material tan duro y exigente?. El hecho es que estas aves desafían el darwinismo.

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Fantásticas imagenes de Katrina van Grouw

La nueva tecnología MIPS (sistema multidireccional de protección de impactos), bioinspirada en el cabeza del carpintero para proteger la cabeza de los humanos, ya está en el mercado. Otras aplicaciones también empiezan a surgir fruto de la investigación de esta maravillosa ave. En la imagen aparece el piolet diseñado por Lodato (diseñador de Motorola) cuya ergonomía protege de los impactos al escalador. En palabras del diseñador:

1. Seleccionar las características de los organismos vivos que exceden las capacidades tecnológicas actuales; 2. Descubrir y derivar principios y procesos responsables de su superioridad;  3. Desarrollar modelos y métodos para describir sistemas biológicos en términos útiles para el diseño y 4. Demostrar la viabilidad de traducir este conocimiento en productos fiables y eficientes.

El briefing del piolet es toda una declaración: { Diseñar un instrumento multifuncional que pueda utilizarse en posiciones variables, ligero, muy resistente, con una estructura de agarre de gran alcance, teniendo que resistir altitudes y temperaturas extremas }. Lodato aplicó un mango ligeramente curvo, una vez más tomando el cuerpo del pájaro carpintero como modelo, mejorando así la eficiencia del golpe. Esta estrategia de diseño llevó a su cliente a cambiar su imagen, su línea de productos y la estrategia de marketing. Haciendo hincapié en el aspecto medioambiental del diseño a medida de los intereses de sus clientes y de hecho llegó a tener un impacto en todo el sector de la industria de la escalada profesional.

Pero además de la cabeza hemos subrayado que existen otras posibles estrategias que estas aves han adoptado y que presentan potenciales aplicaciones. ¿Cual será el próximo diseño bioinspirado en aparecer?.

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casco y piolet inspirados en el pájaro carpintero vistas en el post

Gracias a mi amigo Luís Barrios por sus correcciones y mejoras.

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Filed under Design, Exploración personal, Investigación Biologica, Los Genios del lugar, Materiales, Metodologia en biomimesis, Recursos

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