Una línea lateral artificial (ALL) es un sistema de línea lateral biomimético . Una línea lateral es un sistema de órganos sensoriales en animales acuáticos como los peces, que sirve para detectar movimiento, vibración y gradientes de presión en su entorno. Una línea lateral artificial es un conjunto biomimético artificial de transductores mecanosensoriales distintos que, de manera similar, permite la formación de una imagen espacio-temporal de las fuentes en las inmediaciones en función de las firmas hidrodinámicas; el propósito es ayudar a evitar obstáculos y rastrear objetos. [1] El sistema de línea lateral biomimético tiene el potencial de mejorar la navegación en vehículos submarinos cuando la visión está parcial o totalmente comprometida. La navegación submarina es un desafío debido a la rápida atenuación de las señales de radiofrecuencia y del Sistema de Posicionamiento Global . [2] Además, los sistemas ALL pueden superar algunos de los inconvenientes de las técnicas de localización tradicionales como el SONAR y la imagen óptica.
El componente básico de una línea lateral natural o artificial es un neuromasto, un órgano mecanorreceptor que permite la detección de cambios mecánicos en el agua. Las células ciliadas sirven como unidad básica en la detección acústica y de flujo. Algunas especies (como los artrópodos ) utilizan una sola célula ciliada para esta función y otras criaturas como los peces utilizan un haz de células ciliadas para lograr la detección puntual. [3] La línea lateral de los peces consta de miles de células ciliadas. [3] En los peces, un neuromasto es una estructura fina similar a un cabello que utiliza la transducción de la codificación de velocidad para transmitir la direccionalidad de la señal. [4] Cada neuromasto tiene una dirección de máxima sensibilidad que proporciona direccionalidad. [5]
En la línea lateral artificial, la función del neuromasto se lleva a cabo mediante el uso de transductores. Estas pequeñas estructuras emplean varios sistemas como la anemometría de hilo caliente , [6] optoelectrónica [7] o voladizos piezoeléctricos [7] para detectar cambios mecánicos en el agua. Los neuromastos se clasifican principalmente en dos tipos según su ubicación. El neuromasto superficial ubicado en la piel se utiliza para detectar la velocidad para localizar ciertos objetivos en movimiento, mientras que los neuromastos del canal ubicados debajo de la epidermis encerrados en el canal utilizan el gradiente de presión entre la entrada y la salida para detectar y evitar objetos. Los peces también utilizan el neuromasto superficial para la reotaxis y el mantenimiento de la posición. [8]
De todas las técnicas de detección empleadas, sólo la anemometría de hilo caliente es no direccional. Esta técnica puede medir con precisión el movimiento de partículas en el medio, pero no la dirección del flujo. Sin embargo, el anemómetro de hilo caliente y los datos recopilados son adecuados para determinar el movimiento de partículas hasta cientos de nanómetros y, como resultado, es comparable con un neuromast en un flujo similar. [9] La figura es una representación de un sensor de hilo caliente simplificado. Los conductores que transportan corriente experimentan aumentos de temperatura debido al calentamiento Joule . El flujo alrededor del cable que transporta corriente hace que se enfríe y el cambio de corriente necesario para restaurar la temperatura original es la salida. En otra variante, el cambio en la resistividad del material con respecto al cambio de temperatura del cable caliente se utiliza en la salida.
En estos sistemas se emplea una técnica de división del trabajo en la que los neuromastos superficiales ubicados en la epidermis detectan frecuencias bajas y corriente continua (flujo), mientras que el neuromasto del canal ubicado debajo de la epidermis encerrado en canales detecta corriente alterna utilizando gradientes de presión. [10] En estos sistemas en los que los neuromastos superficiales ubicados en la epidermis detectan frecuencias bajas y corriente continua, mientras que el neuromasto del canal ubicado debajo de la epidermis encerrado en canales detecta corriente alterna utilizando gradientes de presión [10]
La cúpula es una bolsa gelatinosa que cubre el neuromasto, similar a un pelo, que sobresale de la piel. La cúpula formada sobre el neuromasto es otra característica que se desarrolló con el tiempo y que proporciona una mejor respuesta al campo de flujo. [4] Las fibrillas cupulares se extienden desde el neuromasto, que es similar a un pelo. La cúpula ayuda a atenuar las señales de baja frecuencia en virtud de su inercia y a amplificar las señales de frecuencia más alta debido al apalancamiento. [10] Además, estas estructuras extendidas proporcionan una mejor sensibilidad cuando el neuromasto está sumergido en la capa límite. [10] Estudios recientes utilizan el método de goteo, en el que se gotea la solución HA-MA sobre el andamiaje electrohilado para crear una formación de cúpula esferoide alargada impulsada por la gravedad. La comparación experimental entre el sensor desnudo y el sensor recientemente desarrollado revela resultados positivos [10]
Los neuromastos del canal están encerrados en canales que recorren el cuerpo. Estos canales filtran el flujo de baja frecuencia que podría saturar el sistema. [9] Se ha encontrado un patrón determinado en la concentración de neuromastos a lo largo del cuerpo entre las especies acuáticas. Se ha descubierto que el sistema de canales recorre el cuerpo en una sola línea que tiende a ramificarse cerca de la cabeza. En los peces, la ubicación de los canales sugiere la información hidrodinámica que está disponible durante la natación. La ubicación exacta de los canales varía entre las especies, lo que sugiere un papel funcional en lugar de una restricción del desarrollo [1].
Por lo general, la concentración de canales alcanza su punto máximo cerca de la nariz y disminuye significativamente en el resto del cuerpo. Esta tendencia se observa en peces de distintos tamaños que ocupan distintos hábitats y en una variedad de especies. Algunos estudios plantean la hipótesis de la estrecha conexión entre la ubicación de los canales y el desarrollo óseo y cómo se ven limitados morfológicamente . La ubicación exacta de los canales varía según la especie y puede ser un signo sugerente de un papel funcional en lugar de una limitación del desarrollo. [1]
La flexibilidad del sistema de conductos tiene un efecto significativo en la atenuación de señales de baja frecuencia. La flexibilidad del elemento sensor colocado en el sistema de conductos puede aumentar la sensibilidad del sistema de línea artificial del conducto (CALL). Los datos experimentales demuestran que este factor crea un salto significativo en la sensibilidad del sistema. Se necesitan mejoras geométricas en el sistema de conductos y se optimiza el equipo sensor para obtener mejores resultados. [7]
En gradientes de presión más altos, la salida de voltaje de los dispositivos con constricciones en la pared cerca de los sensores en la línea lateral del canal (CALL) fue mucho más sensible y, según Y Jiang, Z Ma, J Fu, et al, su sistema podía percibir un gradiente de presión tan bajo como 3,2 E−3 Pa/5 mm comparable al del Cottus bairdii que se encuentra en la naturaleza. Además, esta característica atenúa las señales hidrodinámicas de baja frecuencia. [8]
La navegación en cuerpos de agua poco profundos presenta un desafío, especialmente para los vehículos sumergibles. Las fluctuaciones del caudal pueden afectar negativamente la trayectoria de la embarcación, lo que hace que la detección en línea y la reacción en tiempo real sean una necesidad absoluta para la adaptabilidad. [5]
Los avances en el campo de la línea lateral artificial han beneficiado a varios campos además de la navegación submarina. Un ejemplo importante es el campo de la imagen sísmica. La idea de la respuesta de frecuencia selectiva en el neuromasto superficial [11] ha animado a los científicos a diseñar nuevos métodos para desarrollar imágenes sísmicas de características bajo el océano utilizando la mitad de los datos para generar imágenes con mayor resolución en comparación con los métodos tradicionales, además de ahorrar el tiempo necesario para el procesamiento [12].
La línea lateral electrosensorial (ELL) emplea electrolocalización pasiva, excepto en ciertos grupos de peces de agua dulce que utilizan electrolocalización activa para emitir y recibir campos eléctricos. Se puede distinguir de la LLS en función de la diferencia aguda en su funcionamiento, además de funciones similares [13]
Los órganos sensoriales tegumentarios (ISO) son otros órganos sensoriales con forma de cúpula que se encuentran en la región craneal de los cocodrilos. Es un conjunto de órganos sensoriales que pueden detectar cambios mecánicos, de pH y térmicos. Estos mecanorreceptores se clasifican en dos. El primero de ellos son los receptores de adaptación lenta (SA) que detectan el flujo constante. El segundo son los receptores de adaptación rápida (RA) que detectan estímulos oscilatorios. Los ISO pueden detectar potencialmente la dirección de la perturbación con alta precisión en el espacio 3D. [14] Los bigotes de la foca común son otro ejemplo. [14] Además, algunos microorganismos utilizan imágenes hidrodinámicas para depredar.
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