Las plantas de hamamelis con semillas más pesadas presentan cápsulas de mayor tamaño que almacenan más energía elástica. Comprender el mecanismo de propulsión ayudaría a mejorar el diseño de resortes sintéticos en robots

Los arbustos con flores conocidos como hamamelis son quizá famosos por su uso en la medicina popular y como ungüento tópico natural para la piel. Pero las semillas también resultan de interés para biofísicos e ingenieros porque las cápsulas son capaces de lanzarlas a una velocidad increíble, gracias a un mecanismo de resorte incorporado. Algunos investigadores de la Universidad Duke (EE UU) descubrieron las razones por las que las velocidades de proyección de las semillas son más o menos las mismas, contrariamente a lo esperado, aunque las de distintas especies tengan una masa considerablemente diferente. Los autores describen sus resultados en un nuevo artículo publicado en la revista Journal of the Royal Society Interface.

“La gente me pregunta todo el tiempo ‘¿por qué te fijas en las plantas que disparan semillas?”, comenta Justin Jorge, coautor y estudiante de posgrado en Duke. “Es por la rareza de sus resortes. Cuando pensamos en objetos elásticos, solemos acordarnos de las bandas elásticas, las espirales o los arcos de tiro. Pero en biología existen todas estas formas extrañas y complejas. Quizá estas presenten algunas ventajas que podrían utilizarse para mejorar el diseño de los resortes sintéticos, como los que se utilizan en los pequeños robots que saltan, pero primero tenemos que comprender cómo funcionan estos resortes biológicos”.

El estudio de los resortes biológicos en la estructura de las plantas

De acuerdo con Jorge y su coautora, la asesora Sheila Patek, hay innumerables ejemplos de resortes biológicos en la naturaleza que abarcan una amplia gama de tamaño y funciones, como las chicharritas, los hongos bala de cañón y las plantas carnívoras bladderwort, que utilizan esos mecanismos para lanzar proyectiles. Las hormigas de mandíbula trampa usan el accionamiento de los resortes para arrojar sus mandíbulas y capturar a sus presas, mientras que las chicharritas emplean sus patas elásticas para alejar a patadas a sus depredadores. Ambas especies, así como el saltamontes, también aprovechan el mecanismo para impulsar sus cuerpos. Y las plantas con flores, como la hamamelis, recurren a los resortes para expulsar las semillas de sus frutos.

A Jorge le fascinaba esto último. El mecanismo básico implica a la semilla proyectil y a la estructura dura que la recubre, llamada endocarpio. Cuando llega el momento de esparcir la semilla, este empieza a secarse (desecarse) y a deformarse, y esta transformación aplica una fuerza sobre la semilla. Pero la semilla resiste esa fuerza deformadora, por lo que la presión se acumula a partir de toda la energía (potencial) almacenada en el endocarpio. Finalmente, esa presión llega a ser lo suficientemente intensa como para vencer la resistencia de la semilla, y esta se expulsa con fuerza, alcanzando velocidades de nueve metros por segundo (30 pies por segundo) en medio milisegundo. Una velocidad más rápida se traduce en una mejor propagación de las semillas, de modo que la especie avanza y se multiplica.

Para saber más, Jorge recolectó primero los frutos de hamamelis de tres especies distintas de los Jardines y el Bosque de Duke, ambos en Durham (Carolina del Norte). Cada fruto intacto se sujetó mediante pegamento de cianoacrilato a un bloque metálico por la base, de modo que el endocarpio quedara libre para retroceder. Después, el bloque metálico se fijó en su sitio y las semillas expulsadas se filmaron con una cámara de alta velocidad a 100,000 cuadros por segundo mientras se hacía un seguimiento automático de sus trayectorias. Tras el lanzamiento, Jorge recogió las semillas y les hizo diversas pruebas de descripción de materiales, además de medir la masa tanto de las semillas como de los endocarpios, para calcular la relación entre ambas variables.

Normalmente existe un equilibrio entre la masa de un proyectil y su velocidad de lanzamiento; por ejemplo, las flechas más pesadas disparadas por una ballesta se mueven más lentamente que las que son más ligeras. Pero Jorge y Patek hallaron que las velocidades de proyección de las semillas de hamamelis eran básicamente las mismas a pesar de sus diferentes masas; algunas pesaban menos que un grano de arroz, apenas 15 miligramos, mientras que otras tenían diez veces esa masa.

“Una ballesta dispara flechas más pesadas a velocidades similares o incluso mayores a las de flechas más ligeras si la cuerda del arco se estira más hacia atrás, para las flechas más pesadas, o si se utiliza una ballesta diferente que requiera más fuerza o desplazamiento y que, por tanto, conserve más energía potencial elástica”, escribieron Jorge y Patek. Y, por lo menos, una especie de camarón mantis también es capaz de incrementar el almacenamiento de energía potencial elástica en proporción al aumento de la masa corporal. La hamamelis ha desarrollado una adaptación similar. Las que tienen semillas más pesadas también poseen endocarpios más grandes que acumulan más energía potencial elástica. El siguiente paso será analizar las distintas fuerzas que actúan sobre una semilla de hamamelis mientras vuela por el aire.

Las lecciones aprendidas de esta investigación ayudarían a mejorar los motores robóticos y los sistemas accionados por resortes. Según Jorge y Patek, el hecho de que las semillas de hamamelis utilizaran una única estructura como motor y resorte representa una ventaja significativa. Por ejemplo, un estudio de 2021 publicado en Nature Materials informó del desarrollo de un propulsor de hidrogel sintético, inspirado en las plantas, que salta mediante el accionamiento de un resorte. Esto “revela el potencial que tiene el aprovechamiento de la energía ambiental para impulsar el mecanismo de proyección”, concluyeron. “La hamamelis y otras plantas que disparan semillas proporcionan numerosos ejemplos de materiales y geometrías utilizados para conformar estructuras combinadas de motor-resorte”.

Fuente: es.wired.com