Tecnología industrial La coraza de este escarabajo inspira el diseño de nuevas estructuras aeronáuticas

Muchas especies de escarabajo recurren a la capacidad de volar para evadir a sus depredadores, pero otras se han visto obligadas a desarrollar mecanismos de protección para defenderse. 

Es el caso específico de la familia Zopherinae, conocida como la 'acorazada', cuya principal fortaleza reside en la dureza de su exoesqueleto. Dentro de esta familia de insectos terrestres, uno de los más resistentes, el escarabajo diabólico acorazado (Phloeodes diabolicus), ha sido analizado y estudiado para mejorar los conocimientos aplicados a la construcción y a la ingeniería, y en especial a la aeronáutica.

"La unión de materiales diferentes en estructuras de ingeniería, como plásticos y metales, continúa suponiendo un desafío", señalan los científicos, liderados por David Kisailus, investigador de la Universidad de California en Irvine (EEUU) y autor principal de un estudio que se publica en Nature.

"La fijación mecánica, la soldadura convencional y la unión adhesiva son algunos ejemplos de las técnicas que se utilizan en la actualidad, pero cada uno de estos métodos presenta su propia serie de problemas, como la formación de concentradores de tensión o la degradación bajo exposición ambiental, reduciendo la fuerza y causando un fallo prematuro", exponen los autores.

El insecto imposible de aplastar

Esta especie de coleóptero, que habita en la costa occidental de América del Norte, llamó la atención de este grupo de científicos por la alta resistencia que ofrece su exoesqueleto. Según describen, "este escarabajo tiene una notable capacidad para soportar aplastamientos y perforaciones de los ataques de depredadores, e incluso de resistir a atropellos de automóviles".

Los investigadores señalan que la razón de que determinadas especies hayan desarrollado un cuerpo tan duro se encuentra en la evolución a partir de sus antepasados voladores, perdiendo agilidad a cambio de obtener un exoesqueleto más robusto y multifuncional que les permitiera tanto almacenar mejor el agua como protegerse de los depredadores.

Esta modificación se produjo a base de fusionar y densificar sus élitros, cada una de las alas rígidas que recubren a modo de estuche las alas más ligeras de este tipo de insectos, como el 'caparazón' rojo de las mariquitas.

Para sobrevivir, el Phloeodes diabolicus recurre, en primer lugar, al camuflaje que le brinda su aspecto rugoso respecto a su medio natural, como son cortezas de madera dura y coníferas, donde finge estar muerto al detectar una amenaza.

Cuando el Plan A falla, la dureza de su exoesqueleto se interpone entre el insecto y su presa. Como pudieron comprobar los científicos al comprimir al insecto, su cuerpo puede soportar sin fracturarse una presión máxima de 169 newtons, "39.000 veces su peso corporal y significativamente mayor a la fuerza que un humano adulto puede generar presionando el pulgar y el índice juntos".

El equipo comparó esta resistencia con la de otras especies de escarabajo con una depredación similar, como el escarabajo del desierto (Asbolus verrucosus), que "exhibió una rigidez inicial similar a la del Phloeodes diabolicus, pero se fracturó en aproximadamente el 50% de la tensión, lo que sugiere una variación en la composición o características de diseño dentro del exoesqueleto", explican en el estudio.

Vista transversal del tórax del escarabajo. / David Kisailus

¿De qué está compuesto su exoesqueleto?

Posteriormente, los científicos recurrieron a técnicas de microscopía avanzada, espectroscopía y pruebas mecánicas para estudiar la composición y el diseño del exoesqueleto. Al realizar cortes transversales en los insectos, los autores observaron una serie de juntas en forma de rompecabezas entrelazadas en el medio de los élitros.

También, descubrieron que la geometría de estas hojas y su microestructura laminada es lo que le proporciona a este coleóptero el endurecimiento de su exoesqueleto.

Los compuestos biomiméticos fabricados para imitar la geometría y la microestructura del escarabajo muestran un beneficio inmediato en la aviación

"Para probar las potenciales ventajas al aplicar este diseño sobre un gancho mecánico, construimos una serie de compuestos biomiméticos –basados en soluciones ya resueltas por la naturaleza– con geometrías y microestructuras similares", indican los investigadores.

Estos ganchos o conectores serían similares a los que se pueden encontrar en los motores de turbina o en algunos accesorios del tren de aterrizaje, según los ejemplos aportados en el trabajo.

"La evaluación posterior –continúan– demostró que las hojas compuestas que imitan al escarabajo acorazado diabólico son ligeramente más fuertes que los actuales ganchos empleados en ingeniería y demuestran un aumento de más del 100% de la disipación de la energía durante el desplazamiento", subrayan.

Los expertos concluyen que "los compuestos biomiméticos fabricados para imitar la geometría y la microestructura del escarabajo acorazado diabólico muestran un beneficio inmediato sobre los ganchos de la aviación, ya que les proporciona una mayor fuerza y un aumento sustancial de la resistencia".