Il primo esempio di “superpropulsione” in natura
Secondo un nuovo studio, alcuni parenti delle cicale, chiamati tiratori scelti, sono in grado di catapultare le gocce di urina a velocità estremamente elevate, dimostrando il primo caso documentato di “superpropulsione” in natura.
Oltre a consentire agli insetti di risparmiare energia durante la minzione, secondo i ricercatori, questo effetto appena scoperto potrebbe anche migliorare la tecnologia autopulente e i motori robotici morbidi.
Per il recente studio, i ricercatori hanno preso in considerazione i parenti delle cicale, chiamati tiratori scelti dalle ali di vetro (Homalodisca vitripennis). Lo xilema, la parte legnosa di una pianta che trasporta l’acqua e i nutrienti disciolti dalle radici, a differenza del floema che trasporta gli zuccheri dalle foglie, è il punto in cui questi insetti, lunghi circa 1,2 centimetri, si nutrono della linfa.
Il 95% della dieta dei tiratori scelti consiste in acqua, che è povera di sostanze nutritive. Di conseguenza, gli insetti devono consumare continuamente linfa xilematica per sopravvivere e possono espellere fino a 300 volte il loro peso corporeo ogni giorno. Gli esseri umani, invece, urinano ogni giorno circa un quarto del loro peso corporeo.
Sebbene la loro meccanica dell’alimentazione sia nota, secondo gli esperti c’è ancora molto da imparare sulla fisica della defecazione. I ricercatori si sono concentrati sui tiratori scelti per verificare se i loro piccoli corpi avessero sviluppato strategie ingegnose per affrontare l’incessante minzione “a pioggia”.
“Ho visto questi insetti fare pipì una volta e mi sono innamorato”, ha spiegato Saad Bhamla, biofisico del Georgia Institute of Technology di Atlanta, autore senior dello studio.
Lo stilo anale, o “sfarfallio del sedere”, come l’ha definito Bhamla, è una struttura all’estremità dell’insetto che è stata esaminata dagli scienziati utilizzando video ad alta velocità e microscopia. Lo stilo si flette verso il basso per fare spazio quando l’insetto spreme una goccia di urina al momento di fare pipì. Quando la goccia raggiunge la dimensione ideale, lo stilo si piega ancora di più verso il basso prima di lanciare la gocciolina con un’accelerazione di oltre 40 G.
Secondo i ricercatori, lo stilo può muoversi fino a 0,23 m/s. Tuttavia, le gocce spinte viaggiano a una velocità di 0,32 m/s, quasi il 40% in più.
La scoperta conferma l’esistenza del fenomeno della superpropulsione, che in precedenza era stato osservato solo in ambienti artificiali. Facendo coincidere i suoi movimenti con quelli della sua piattaforma di lancio, in modo simile a un tuffatore che sincronizza il suo salto da un trampolino, un proiettile elastico che utilizza la superpropulsione si muove più velocemente della sua piattaforma di lancio.
I ricercatori hanno scoperto che le gocce venivano schiacciate dallo stilo, immagazzinando energia nella loro tensione superficiale immediatamente prima del lancio per aiutarle a catapultarsi ad alta velocità. A causa della forza con cui le molecole dei liquidi si aggrappano l’una all’altra, la tensione superficiale, che fa sì che le superfici dei liquidi si comportino come membrane flessibili, è ciò che provoca l’aggregazione delle gocce di liquido.
“Spesso trascuriamo l’escrezione perché è un tabù o una sciocchezza, ma è una funzione biologica critica, simile all’alimentazione, che ha importanti implicazioni energetiche, ecologiche ed evolutive”, ha spiegato il primo autore dello studio Elio Challita, biofisico del Georgia Institute of Technology. “Quello che era iniziato come una curiosa osservazione di un insolito meccanismo della pipì ha portato alla scoperta del primo esempio di superpropulsione in un organismo biologico”.
I ricercatori hanno utilizzato scansioni micro-CT per esaminare l’architettura degli insetti ed effettuare misurazioni dall’interno degli stessi per capire perché i tiratori scelti scagliavano gocce di pipì piuttosto che spruzzare l’urina in getti. Gli scienziati hanno potuto utilizzare queste informazioni per stimare la pressione e l’energia necessarie agli insetti per urinare, dimostrando che la superpropulsione richiedeva un’energia da quattro a otto volte inferiore rispetto ai getti.
Queste scoperte potrebbero aiutare gli ingegneri a creare macchine che necessitano di meno energia per autopulirsi. “Le gocce d’acqua spesso si attaccano alle superfici a causa della tensione superficiale, che può essere indesiderata in diversi contesti, come la pulizia e la prevenzione di danni all’elettronica”, ha precisato Challita. “La superpropulsione delle gocce offre un modo per espellere le gocce dalle superfici facendo vibrare la superficie alla frequenza vibrazionale delle gocce”.
Inoltre, secondo Challita, le scoperte potrebbero contribuire ad aumentare l’efficacia dei motori che guidano i robot morbidi e flessibili. In conclusione, “possiamo scoprire cose sorprendenti nel nostro giardino, dobbiamo solo guardare da vicino”, ha aggiunto Bhamla.
