El barquero de agua, el insecto acuático que inspira submarinos y robots

El científico Shi Yanlong y su grupo de la Facultad de Química e Ingeniería Química, de las universidades de Gansu y Hexi, han investigado la superhidrofobicidad -un sistema único de propulsión- de las alas posteriores de un insecto acuático, llamado barquero de agua (Corixidae).

El estudio mostró que la superhidrofobicidad juega un papel crucial en la natación del barquero de agua, su equilibrio y su respiración, además de en su capacidad de escapar en condiciones desfavorables. Estas características podrían inspirar la creación de nuevos submarinos y robots acuáticos. El trabajo, titulado Investigación de la superhidrofobicidad en las alas traseras del barquero de agua, ha sido publicado en el Chinese Science Bulletin.

Recientemente, los estudios sobre superhidrofobicidad han atraído mucho interés, debido a sus aplicaciones prácticas potenciales. En la naturaleza, las hojas de loto, las patas del insecto opilión, y las alas de algunos insectos de agua, presentan una superhidrofobicidad perfecta. Inspirados por estas características superhidrófobas de los organismos vivos, los científicos han desarrollado muchas maneras de fabricar materiales artificiales superhidrófobos. Las superficies superhidrófobas, comúnmente, se construyen mediante la creación de micro/nanoestructuras sobre sustratos hidrofóbos, o modificando químicamente superficies micro/nanoestructuradas.

Sin embargo, las investigaciones sobre superhidrofobicidad rara vez se ha centrado en los insectos que viven en el agua. En este nuevo informe, los autores se centraron en el barquero de agua, que pertenece a la familia Corixidae -este insecto puede nadar libremente y respirar en el agua. La metapodia del barquero de agua sigue balanceándose mientras nada; la contrafuerza entre la metapodia y el agua empuja al insecto hacia adelante, o hacia abajo. Cuando la metapodia dejar de oscilar, su cuerpo comienza a flotar hacia arriba, debido a la flotación inducida por la superhidrofobicidad de las alas posteriores.

Las superficies superhidrófobas son generalmente inducidas por los efectos sinérgicos de las estructuras jerárquicas binarias a micro/nanoescala, y la baja energía libre superficial. En el estudio, la microscopía electrónica de la estructura micro/nanométrica reveló que la superficie de las alas posteriores del barquero de agua está compuesta de mastoides y nanorods, con diámetros de aproximadamente 80 y 50-100 nm (nanomilímetros) respectivamente. Además, la superficie del ala del insecto contiene proteína de baja energía en su superficie, lípidos, y quitina, que son hidrófobos.

Los científicos creen que la superhidrofobicidad de las alas posteriores del barquero de agua se origina a partir de la combinación de una estructura jerárquica en su superficie, junto con los materiales hidrófobos que forman en el ala.

Según la teoría de Cassie, el contacto entre las gotas de agua y las alas traseras del insecto es un compuesto de contacto de sólido-líquido-gas. En la superficie rugosa jerárquica, el aire puede quedar atrapado dentro de las estructuras micro/nanométricas en la superficie del ala, lo que hace dificulta que el agua moje completamente la superficie. El área de contacto total entre las gotas de agua y de aire atrapadas dentro de las estructuras se estima en alrededor del 9% (el área de contacto correspondiente entre las gotas de agua y la superficie del ala sólida es del 91%).

La superhidrofobicidad de las alas posteriores del barquero de agua le permite nadar libremente, y respirar en el agua con la ayuda de aire atrapado en la superficies de las alas traseras, sin verse afectado por la humedad. Esta investigación puede proporcionar una nueva estrategia para el diseño de submarinos, y la fabricación de un robot que podría nadar en el agua, y caminar sobre su superficie. Además, los robots de agua inspirados en el insecto, pueden ser equipados con sensores bioquímicos en miniatura, y controlar los productos químicos en el agua para el monitoreo ambiental, y aplicaciones de limpieza, y puede ser teleoperado de forma autónoma o controlada.