Cuando se trata de nadar, los peces muestran una elegancia y un poder sin esfuerzo que con los que los humanos solo pueden soñar. Mientras los peces más rápidos nadan a una velocidad de 113 kilómetros por hora, ningún humano ha logrado ni siquiera alcanzar los seis kilómetros por hora. Incluso la velocidad de los submarinos más rápidos solo alcanza los 80 kilómetros por hora.

Cómo logran los peces llevar a cabo tal hazaña es un misterio. Físicos, biólogos e ingenieros llevan décadas intrigados por el característico movimiento ondulatorio y las fuerzas hidrodinámicas que generan. De hecho, existen dos teorías de propulsión hidrodinámica que intentan explicarlo, aunque datan de los años 1950 y 1960. Y nadie ha sido capaz de resolver cuál de las dos es la correcta.

Pero eso acaba de cambiar gracias al trabajo del investigador en el Centro de Investigación de Ciencias de la Computación de Pekín (China) Tingyu Ming y varios compañeros. El equipo ha utilizado un superordenador para modelar la propulsión de los peces y ha calibrado los resultados con mediciones detalladas del movimiento de peces reales. Por primera vez, su modelo es capaz de explicar cómo los peces generan el impulso e incluso por qué ciertas estructuras anatómicas, como los tendones, son tan importantes.

Primero algunos antecedentes. En el característico movimiento ondulatorio de los peces, los músculos se contraen secuencialmente a lo largo del cuerpo para generar una onda de flexión del cuerpo hacia atrás. Esta onda empuja el agua y produce el impulso.

Pero el surgimiento exacto de este empuje es una especie de rompecabezas. En 1952, el físico británico Geoffrey Taylor analizó la interacción de cada segmento del cuerpo de un pez con el agua. Su idea era que cada segmento generaba fuerza de arrastre, una resistencia al movimiento. A medida que el segmento se ondula, el arrastre aumenta en dirección perpendicular al cuerpo y disminuye en paralelo. El resultado es un empuje en la dirección paralela, o hacia adelante. Esta idea se conoce como teoría de la fuerza resistente.

Pero en 1960, el matemático británico James Lighthill propuso un enfoque diferente en el que el efecto dominante era la inercia del agua. Esto permite que una placa plana genere empuje al ondear con una pequeña amplitud y se conoce como teoría del cuerpo alargado.

La diferencia principal entre estas teorías es el tipo de fuerza generada. Para Taylor, es la fuerza resistente, la cual que actúa en la dirección opuesta al movimiento de un cuerpo, pero está en fase con su velocidad. Para Lighthill, es la fuerza de reacción, que actúa en la dirección opuesta a la fuerza de acción y está en fase con la aceleración.

Aunque la diferencia entre ambos enfoques sea sutil, encierra la clave para entender la propulsión de los peces y poder reproducirla artificialmente. Por eso es importante saber qué teoría usar.

Para averiguarlo, Tingyu y sus compañeros crearon un modelo informático en 3D de la dinámica de fluidos para dos tipos de peces: los anguilliformes como anguilas y los carangiformes como caballa. La principal diferencia es que los anguilliformes ondean todo el cuerpo mientras que los los carangiformes se doblan de forma significativa solo por la mitad trasera.

El equipo utilizó estudios reales del movimiento de los peces para calibrar sus modelos y luego calculó la fuerza, la torsión y la potencia generada por cada tipo de forma corporal. Los resultados son interesantes. Resulta que ambas teorías son correctas, pero cada una actúa en diferentes formas del cuerpo e incluso en diferentes partes de estos cuerpos.

Por ejemplo, en ambos tipos de peces, las fuerzas resistentes son más importantes en la parte central del cuerpo, que es relativamente suave y uniforme. Pero las fuerzas de reacción desempeñan un papel mucho más importante cerca de las colas de los peces de tipo caballa. La elasticidad también juega un papel importante. Nadie ha podido medir la elasticidad de los cuerpos de los peces mientras nadan, pero el consenso es que esta característica debe ayudar a almacenar energía y mejorar la eficiencia del movimiento.

El modelo de Tingyu y su equipo también ofrece información sobre cómo la elasticidad varía con la fuerza y ​​la potencia generadas por el cuerpo. Los investigadores muestran cómo las anguilas y las caballas deben volverse elásticas en diferentes zonas de sus cuerpos y en diferentes puntos durante cada ciclo de ondulación. "Esta observación concuerda con los hallazgos de estudios anteriores de que la elasticidad adecuada puede ahorrar y restaurar la energía para mejorar la eficiencia", afirma la investigación.

Eso plantea la cuestión de cómo se produce la transferencia de energía a través de los cuerpos de los peces. Una de las características anatómicas más desconcertantes de los peces tipo caballa es que sus tendones extienden a lo largo de sus cuerpos hacia las colas. Si cada vértebra actuara como una unidad independiente, como sugiere la teoría de Taylor, este tipo de tendón no sería necesario.

Pero el nuevo modelo desarrollado por Tingyu demuestra que eso es exactamente lo que se necesita. La investigación detalla: "Nuestra hipótesis es que estos largos tendones se utilizan para transferir energía".

Es un trabajo interesante, no solo porque proporciona una visión detallada de una de las formas más comunes de propulsión del mundo natural, sino porque la propulsión de los peces es mucho más compleja de lo que se pensaba en un principio, y probablemente también difícil de reproducir artificialmente.

Pero el trabajo de Tingyu y sus compañeros ofrece un camino a seguir para los bioingenieros que esperan reproducir la propulsión de los peces en dispositivos artificiales. Puede que algún día eso ayude a los submarinos a moverse más rápido.

Ref: arxiv.org/abs/1812.02410: How fish power swimming: a 3D computational fluid dynamics study