Adherencia

Algunos animales poseen una capacidad asombrosa para adherirse a ciertas superficies. Recientemente se han podido estudiar muchos de sus variados métodos, como por ejemplo ciertas sofisticadas estructuras microscópicas capaces de usar fuerzas químicas de corto alcance, máquinas hidráulicas, y diversos tipos de substancias adhesivas.

Los Pies de la Salamanquesa1

Es todo un espectáculo ver a las salamanquesas correteando. Estos pequeños lagartos tropicales corren pared arriba y pared abajo y atraviesan techos sin ninguna dificultad. Pero... ¿Qué causa la adherencia de sus pies? Varias ideas plausibles han sido ya descartadas:

¿Succión? La razón por la que la ventosa proporciona adherencia es que la presión del aire en uno de sus lados no es compensada al existir un vacío en el otro lado. Dado que la presión atmosférica normal es de 100.000 pascales, ó 14 libras por pulgada cuadrada, la succión de la ventosa puede llegar a ser muy eficaz. Pero los pies de la salamanquesa consiguen adherirse incluso en el vacío, donde no existe presión atmosférica, de modo que la razón de su adherencia no puede ser la succión.

¿Atracción electrostática? Ésta es la atracción entre objetos que poseen cargas eléctricas, por ejemplo, un peine de plástico puede atraer pequeños pedazos de papel tras haber sido frotado con un paño. Pero los pies de la salamanquesa mantienen su adherencia aún cuando los investigadores provocan la pérdida de cargas eléctricas filtrando el aire circundante con rayos X para formar moléculas cargadas (iones).

¿Pegamento Ordinario? No hay glándulas en la piel de la salamanquesa que pudieran producir ningún tipo de pegamento.

¿Fricción? La queratina, la proteína que cubre la piel de la salamanquesa, es demasiado resbaladiza.

¿Adherencia de dos superficies rugosas? Las salamanquesas consiguen adherirse incluso a superficies de vidrio pulido.

La mejor explicación parece ser que los pies de las salamanquesas consiguen usar los débiles enlaces de corto alcance que existen entre ciertas moléculas,2 es decir, consiguen su adherencia gracias a las fuerzas de van der Waals (vdW).3 Sin embargo, para poder usar estas fuerzas, debe haber una amplia área de estrecho contacto entre el pie de la salamanquesa y la superficie, lo suficiente amplia como para que la suma de las débiles fuerzas individuales constituya una fuerza suficiente.

Detalle de la planta del pie de una salamanquesa caminando sobre un muro de cristal. Las fuerzas de van der Waals interactúan entre los diminutos setae (pelos de los dedos) y la superficie lisa permitiendo a la salamanquesa caminar sin dificultad.

Gracias al microscopio electrónico, los investigadores han descubierto que los pies de la salamanquesa están dotados de unos pelos muy finos (denominados setae), su longitud es de 0,1 milímetros (4 milésimas de pulgada) y su densidad es de 5.000 pelos por milímetro cuadrado (tres millones por pulgada cuadrada).

Asimismo, en el extremo de cada pelo aparecen entre 400 y 1.000 ramificaciones que terminan con una estructura en forma de espátula, cuya longitud es de entre 0,2 y 0,5 micrómetros (menos que una cincuentamilésima parte de una pulgada). Estas estructuras espatulares proporcionar a la salamanquesa el área de contacto necesaria.4

Usando instrumentos especiales,5 un equipo de biólogos e ingenieros procedentes de varias universidades americanas, y dirigido por Kellar Autumn, analizó una seta del pie de un gecko Tokay (Gekko gecko).

La almohadilla del pie tiene un área de unos 100 milímetros cuadrados (0,16 pulgadas cuadradas) y puede producir una fuerza adhesiva de 10 Newtons (lo suficiente para sostener un peso de dos libras). Pero demostraron que cada seta tiene una fuerza de atracción 10 veces más fuerte de lo esperado.

De hecho, cada seta es lo suficientemente fuerte como para soportar el peso de una hormiga, y un millón de ellas podrían soportar el peso de un niño pequeño. Así que la salamanquesa dispone de más fuerza de atracción que la realmente necesaria. Esto implica que puede adherirse a las superficies irregulares que encuentra en su hábitat natural.

En realidad, la fuerza de atracción es mucho mayor cuando la salamanquesa apoya la seta ligeramente sobre la superficie y después la arrastra horizontalmente. La fuerza varía también dependiendo del ángulo que los cabellos forman al adherirse a la superficie, de modo que la seta se despega cuando se sitúa en un ángulo de 30°. La salamanquesa se sirve de estas sofisticadas propiedades mediante un “comportamiento inusualmente complejo”2 que consiste en desenroscar los dedos de los pies cuando desea adherirse y enroscarlos para desprenderse. Todo esto significa que no solamente la salamanquesa puede adherirse correctamente a cada paso, sino que además evita quedarse atascada, y todo ello sin necesidad de usar una gran cantidad de energía.

Confirmación de las Fuerzas de van der Waals

Posteriormente Autumn refinó sus investigaciones para confirmar que efectivamente las fuerzas de van der Waals son las responsables, descartando así otros tipos de mecanismos de atracción.6 Es decir, quiso descartar otras posibles causas de atracción, tales como la atracción capilar del agua a una superficie o una superficie fuertemente polar. Así que experimentó con salamanquesas en superficies hidrofóbicas (que repelen al agua) e hidrofílicas (que atraen el agua) y descubrió que la adherencia era fuerte en ambos casos.

El único tipo de atracción común a ambas superficies es la fuerza de van der Waals. Además, se sabe desde hace 30 años que las salamanquesas no pueden adherirse al Teflón (politetrafluoroetileno), y esto tiene sentido a la luz de la teoría de Autumn pues el Teflón posee fuerzas de van der Waals muy débiles.7

¿Cómo consiguen las salamanquesas mantener sus pegadizos pies siempre limpios?8

Otra sorprendente característica de este animal es que sus pies se limpian solos, a diferencia de la cinta adhesiva, que tan fácilmente acumula suciedad, lo cual, a la larga, le hace perder su eficacia. Autumn y sus colegas han mostrado el porqué.

Tras cubrir los pies de la salamanquesa con polvo, ésta se desprendido por completo de toda suciedad tras caminar apenas cinco pasos sobre una superficie limpia. La razón la encontramos en la geometría de los pelos finos. Las partículas son demasiado pequeñas para estar en contacto con el número de pelos suficiente para superar la atracción a cualquier superficie. Así que los pelos, en efecto, repelen las partículas hacia la superficie.9

El diseño de esta estructura, según los investigadores, está “más allá de los límites de la tecnología humana”. Si esta estructura está “más allá de los límites de la tecnología humana”, entonces es razonable suponer que fue diseñada por Alguien cuya inteligencia es superior a la nuestra.

Autumn está convencido de que las posibles aplicaciones prácticas son infinitas. Podríamos imaginar vendas que no dejan residuos. Material de escalada diseñado a semejanza de los pies de la salamanquesa. Teléfonos móviles que no sufren daños.10

Un evolucionista, ha escrito: “Es fantástico ver cómo la evolución ha solucionado los problemas mecánicos”.11 Pero no ha explicado cómo la evolución, a través de mutaciones aleatorias y selección natural, pudo haber producido la compleja estructura del pie, así como el patrón de movimiento necesario para utilizar esta estructura de la forma correcta.

Por ejemplo, no existe ninguna explicación de cómo pudieron las setas y espátulas a medio formar combinadas con un movimiento imperfecto beneficiar a los animales para que éstos fueran seleccionados por la selección natural. Esto se parece más bien la fe ciega de aquellos que han descartado previamente la posibilidad de un Diseñador.

El diseño de esta estructura, según los investigadores, está “más allá de los límites de la tecnología humana”2 sobretodo el conseguir un material que pueda dividirse limpiamente en 1.000 pedazos. Si esta estructura está “más allá de los límites de la tecnología humana”, entonces es razonable suponer que fue diseñada por Alguien cuya inteligencia es superior a la nuestra. Esta conclusión sería válida incluso si en el futuro alguien consiguiera diseñar un adhesivo en base al diseño de la salamanquesa (véase la sección siguiente).

También señaló que la “tecnología natural de los pelos del pie de la salamanquesa puede servir de inspiración biológica para el diseño futuro de un adhesivo muy eficaz”.2 Los investigadores también comentaron: “Las salamanquesas pueden hacer cosas que nosotros simplemente no podemos hacer con la robótica y la tecnología de adhesivos actuales”.12

Así que no sólo no podemos diseñar algo tan complejo como el pie de la salamanquesa, sino que los diseñadores humanos están aprendiendo cosas nuevas del pie de este animal.

Esto nos habla del Maestro Diseñador que creó el pie, que programó en el ADN de la salamanquesa la complicada “receta” para la construcción del pie, y al mismo tiempo los correspondientes movimientos de mismo.

El pie de la salamanquesa como fuente de inspiración para el diseño de adhesivos.13

El estudio científico de los pies de la salamanquesa muestra un sofisticado diseño que usa las fuerzas de van der Waals para mantener la planta del pie siempre limpia. Los científicos esperan poder imitar este diseño para crear nuevos materiales adhesivos.

El ingeniero Metin Sitti, de la Universidad Carnegie Mellon en Pittsburgh, EE.UU., ha conseguido duplicar hasta cierto punto la superficie estructural del pie de la salamanquesa.14 Usando una diminuta micro sonda y un microscopio de electrones para fabricar un pequeño molde de cera, la cual solidificó para formar pelos artificiales. Sitti explica que la forma y orientación de los pelos es importante para que cumplan su función. Sus cabellos artificiales no son todavía lo suficientemente fuertes como para soportar el peso de un ser humano, pero los investigadores están continuamente mejorando su tecnología. Su objetivo es conseguir robots de exploración planetaria que puedan trepar sobre cualquier superficie.14

Andre Geim, de la Universidad de Manchester, al frente de un equipo de científicos del Reino Unido y Rusia, se ha inspirado en el pie de la salamanquesa para diseñar una cinta adhesiva que se limpia a sí misma.15 Su cinta,16 podría soportar una carga de más de 100 gramos, con una superficie de contacto sobre vidrio de tan sólo 0,5 cm².17 Sin embargo, la cinta no es lo suficientemente duradera como para adherirse y despegarse más de un par de veces, a diferencia de los pies de la salamanquesa. Los investigadores propusieron utilizar un material más durable; el material usado por la propia salamanquesa, queratina.17

Si lo consiguen, podríamos ver guantes y zapatos hechos de este material que ayudarían a un Spiderman real (o ¿quizás deberíamos llamarlo Salamancoman?) a escalar por las paredes de casi cualquier superficie. Sin embargo, para conseguirlo se requeriría cierto entrenamiento, para conseguir imitar los movimientos de la salamanquesa, y cabría preguntarse si los seres humanos son capaces de hacerlo. Y en el caso de un robot de exploración planetaria se requeriría que hubiera sido programado correctamente. Hasta ahora, la piel de salamanquesa artificial solo parece ser útil para adherir dos superficies.18

Investigadores de la Universidad de Akron, Ohio, han creado otro material adhesivo inspirándose en la salamanquesa. Han conseguido mejorar la adherencia de la salamanquesa usando paquetes de nanotubos de carbono.19

Modelización del Pelo de la Salamanquesa

Otra vía de investigación sobre las propiedades de la salamanquesa consiste en la modelización de unidades más grandes que se adhieren por medio del magnetismo en lugar de las fuerzas de van der Waals. Esto sólo sería útil para adherirse a superficies magnéticas, pero este modelo es mucho más manejable, porque las réplicas están hechas de nylon y miden 2 cms. de largo. Aún así, esto puede proporcionarnos información valiosa sobre el funcionamiento del pelo de la salamanquesa, y cómo puede adherirse y desengancharse tan fácilmente.

Se han observado un buen número de propiedades, por ejemplo, los pelos son lo suficientemente flexibles para adherirse a las superficies rugosas, permitiendo así un mayor contacto, lo suficientemente rígidos para poder despegarse posteriormente, una “huella” en forma romboidal triangular que maximiza la carga y al mismo tiempo reduce al mínimo las fuerzas necesarias para el despegue, y la capacidad de soltarse puesto que cualquier grupo de pelos puede liberarse despegándose uno tras otro, individualmente.20

¿Cómo se adhieren a la superficie las patas de la araña?21

Investigaciones posteriores al “hombre-salamanquesa” han revelado que el “hombre-araña” también puede ser viable; pues algunas arañas usan exactamente el mismo principio que las salamanquesas.

La araña saltadora, Evarcha arcuata, presenta dos mecanismos de adhesión diferentes dependiendo de la superficie por la que se desplace.

Antonia Kesel en el Instituto de Zoología Técnica y Biónica en Bremen y sus colegas de la Universidad de Zurich analizaron los pies de una araña saltadora, Evarcha arcuata, usando un poderoso microscopio de electrones.22 Estas arañas se aferran a las superficies rugosas usando las garras en sus patas. Sin embargo, en superficies lisas, se adhieren usando los penachos (Scopula) de las garras de sus ocho patas.

Al igual que la salamanquesa, este penacho tiene pelos diminutos llamados setae. Éstos a su vez están cubiertos por otros pelos más finos denominados setules, mientras que en la salamanquesa los setae se ramifican en pequeñas espátulas. Como las espátulas de la salamanquesa, las setules de estas arañas se adhieren a prácticamente cualquier superficie gracias a las fuerzas de van der Waals. Arcuata Evarcha dispone más de 600.000 setules en contacto con la superficie, eso crea una gran área de contacto.23 Esto significa que la fuerza de atracción total es suficientemente fuerte como para soportar 160 veces su propio peso.24

Pero esto no es suficiente, pues no le serviría de nada a la araña poseer estos sorprendentes pies si únicamente pudiera adherirse, también es necesario que pueda despegarse rápidamente.

Como se explicó anteriormente, la salamanquesa consigue despegarse retorciendo sus dedos al tiempo que los levanta de la superficie, en el caso de la araña se requiere más investigación para conocer cómo consigue despegar sus patas rápidamente.22 Una posibilidad es que la araña levante su pata de una manera que las setules puedan separarse una a una, no todas a la vez, de este modo la fuerza necesaria, no es demasiado grande.25

Kesel espera que su investigación ayudará a desarrollar notas adhesivas capaces de adherirse incluso a superficies húmedas o grasosas, y para ayudar a los astronautas a adherirse a las paredes de su nave espacial.26

Mosquitos: Adherentes como la Salamanquesa y caminando sobre el agua

En 2007 un artículo publicado en la revista Nature se preguntaba:

“¿Qué es tan pegajoso como una salamanquesa y camina sobre el agua mejor que un zancudo? Según Cheng Wei Wu, de la Universidad de Tecnología de Dalian en China y sus colaboradores, la respuesta es un mosquito.”27

Un ejemplar de Aedes aegypti: La sofisticada estructura de sus piernas y sus pies permiten al mosquito despegar y aterrizar en el agua de manera segura. Cada pata que se apoya sobre el agua puede soportar una fuerza equivalente a 23 veces el peso del mosquito

Estos investigadores estudiaron las piernas de los mosquitos usando el microscopio electrónico y descubrieron que los pies de los mosquitos están cubiertos con setas que funcionan de forma semejante a las de las salamanquesas, permitiéndoles adherirse a cualquier superficie.

Sus piernas están cubiertas de escamas que, gracias a su forma especial, repelen el agua con fuerza. Estas escamas forman unos pequeños surcos que recorren las patas espaciados uniformemente, y también una red de nervios igualmente diminutos, pero mucho más compactos.

La sofisticada estructura de sus piernas y sus pies permiten al mosquito despegar y aterrizar en el agua de manera segura. Cada pata que se apoya sobre el agua puede soportar una fuerza equivalente a 23 veces el peso del mosquito, superando así a la pata del zancudo de agua que puede soportar “sólo” 15 veces su peso corporal.28

Se ha descubierto que el principio general de la atracción de van der Waals que opera en estos diminutos pelos se aplica también a una variedad de insectos diferentes. Armados con esta información, los ingenieros de materiales han desarrollado una cinta en miniatura de polímero estampado inspirada en la superficie de la planta del pie de ciertos insectos.29,30 Pruebas posteriores revelaron que el rendimiento de la cinta inspirada en la naturaleza era enormemente superior,31 en comparación con una cinta adhesiva sensitiva a la presión que puede adquirirse en los comercios.

En comparación con una cinta de PVS plana, la cinta con micro diseño demostró una adherencia considerablemente mayor en las pruebas de despegue, requiriéndose un mayor esfuerzo de tracción por unidad de área de contacto aparente. Es más, la cinta con micro diseño “es menos sensible a la contaminación por partículas de polvo que una cinta plana o una cinta adhesiva regular”. E incluso si la “cinta de insectos” está contaminada, se puede lavar con una solución de jabón y agua, y así recuperar totalmente sus propiedades adhesivas iniciales.32

¿Cómo se adhieren las hormigas y las abejas?33

¿Cómo pueden las hormigas y las abejas caminar cabeza abajo, una habilidad imprescindible para desplazarse sobre las plantas? No sólo sus pies deben ser capaces de adherirse, sino también de despegarse en el momento adecuado para que el insecto pueda moverse con agilidad.

Las garras de la hormiga disponen de almohadillas húmedas (arolium), que pueden adherirse a una superficie como el papel mojado se adhiere a una ventana. Si la superficie es rugosa, las garras pueden engancharse a la superficie, y el arolium se retrae porque no es necesario, protegiéndose así de la abrasión. Por el contrario, en una superficie lisa donde las garras no pueden engancharse, éstas se retraen mediante el tendón flexor de la garra, el cual a su vez provoca que el arolium gire y se coloque en posición.

Este sofisticado mecanismo presenta las características propias de un sistema dieñado por un ingeniero provisto de inteligencia.

Un equipo dirigido por Elizabeth Brainerd bióloga de la Universidad de Massachusetts, ha descubierto el sorprendente método usado por estos insectos, aplicando la fotografía de alta velocidad a abejas y hormigas mientras caminaban sobre vidrio, y estudiando bajo un microscopio la estructura de sus patas.34,35,36

Sus patas disponen de almohadillas húmedas (arolium), que pueden adherirse a una superficie como el papel mojado se adhiere a una ventana. Estas almohadillas están situadas entre cada par de garras, y tienen la forma de los cuernos de un toro.

Si la superficie es rugosa, las garras pueden engancharse a la superficie, y el arolium se retrae porque no es necesario, protegiéndose así de la abrasión. Por el contrario, en una superficie lisa donde las garras no pueden engancharse, éstas se retraen mediante el tendón flexor de la garra, el cual a su vez provoca que el arolium gire y se coloque en posición.

Este tendón también se conecta a una placa que presiona sobre un depósito de “sangre” (hemolinfa), inyectado el líquido en el arolium para inflarlo, para que éste presione sobre la superficie. Cuando el insecto necesita despegar su pata, se libera el tendón flexor de la pezuña, y, dada la alta elasticidad de la arolium y la mayoría de las partes mecánicas, éstas se colocan en su lugar original rápidamente.

El mismo mecanismo básico se aplica tanto a las abejas como a las hormigas, aunque abejas y hormigas tienen algunas partes de forma diferente debido a sus diferentes necesidades.

Este es un diseño mecánico e hidráulico muy complejo, pero se controla de manera muy sencilla, sin ninguna intervención del cerebro. Esto permite una alta fiabilidad y un tiempo de reacción muy rápido. No es sorprendente que haya intrigado a quienes diseñan robots en miniatura para fines médicos.

Las superadherencia de los Mejillones

Los materiales adhesivos subacuáticos desempeñan un papel esencial en la construcción y reparación de navíos, pero su adherencia no es infinita, puesto que el agua salada corrosiona hasta el adhesivo convencional más fuerte. Así que los ingenieros, en su búsqueda de pegamento que se adhiera bajo el agua, están investigando cómo los mejillones pueden adherirse a las rocas en las condiciones más difíciles.

El aminoácido levodopa; Los mejillones fabrican su potente pegamento extrayendo iones de hierro del agua de mar con los que provocan la oxidación de la levodopa causando así que las proteínas se unan formando enlaces covalentes muy fuertes con la superficie a la que se adhieren

¿Cómo ha llegado el mejillón a “saber” qué tipo exacto de partícula (ión de hierro) debe extraer para causar la reacción química precisa que le permite fabricar su pegamento? ¿Es posible que este proceso químico haya sido concebido, planificado o diseñado por un agente inteligente?

Para adherirse a una superficie, el mejillón común, Mytilus edulis, segrega una sustancia que comprende proteínas modificadas que contienen un aminoácido llamado levodopa (L-3,4 dihidroxifenilalanina) también llamado L-DOPA .37

Jonathan Wilker, María Sever y su equipo de la Universidad de Purdue (West Lafayette, Indiana) descubrieron que los mejillones extraen del agua de mar un componente vital de la cola; iones de hierro.38

El hierro provoca la oxidación de las unidades de DOPA en radicales libres, permitiendo así que las proteínas se enlacen, y que las unidades DOPA formen enlaces covalentes muy fuertes con la superficie a la que se adhieren.39

En sólo un minuto, se endurece trasformándose en una malla increíblemente fuerte, adhiriendo el mejillón a una nueva superficie, incluso al teflón. La adhesión a la superficie posee una fuerza de atracción tan grande que los hilos se rompen antes que despegarse.

Además de su fuerza de larga duración en el agua de mar, el “pegamento de mejillón” presenta otras ventajas sobre los adhesivos convencionales. No requiere altas temperaturas para adherirse, y no es venenoso como el petróleo estándar o los pegamentos a base de alquitrán. Wilker, dijo, “El origen biológico de este pegamento y su capacidad de adherirse a prácticamente todas las superficies abre la puerta a su aplicación en el desarrollo de adhesivos quirúrgicos”.

El químico Mike Clark, que supervisa su trabajo en la National Science Foundation, declaró:

“Este descubrimiento podría conducir a la creación de nuevos materiales diseñados para conseguir una inusual plasticidad, fuerza y adherencia para su usos en el hogar, estructurales, y biológicos. Tal vez, estas propiedades podrían incluso depender del potencial electroquímico creando así nuevas perspectivas para los materiales electrónicos.40

El modelo adhesivo para superficies secas y húmedas de salamanquesas y mejillones

Los investigadores han hecho un nano adhesivo a medio camino entre el de la salamanquesa y el del mejillón, que imita tanto la sofisticada estructura de los pies de las salamanquesas y como el pegamento de los mejillones.41 Este adhesivo se compone de una serie de pequeños pilares de polímeros recubiertos por un polímero sintético, que imitan las proteínas adhesivas de los mejillones.

La superficie que simulaba a la salamanquesa, por si misma, no resulto muy eficaz en el agua, la capa adicional, inspirada en el mejillón aumentó su capacidad de adhesión, casi 15 veces, y se puede volver a utilizar miles de veces sin perder su rigidez.