Un nuevo estudio liderado por el Royal Veterinary College (RVC) y el Imperial College London ha revelado cómo las libélulas utilizan un pequeño número de sensores estratégicamente ubicados en sus alas para monitorizar su forma en tiempo real. Este sistema biológico, simple pero altamente eficaz, permite a estos insectos mantenerse excepcionalmente estables o maniobrar durante el vuelo, a pesar de contar con cerebros relativamente pequeños. Los resultados ofrecen nuevas pistas clave para la bioingeniería que podrían inspirar el diseño de futuros aviones, robots y vehículos autónomos.

Como ocurre en la mayoría de insectos, las alas de las libélulas pueden doblarse y torcerse de múltiples formas. Sin embargo, apenas se había investigado cómo logran monitorizar estos cambios con suficiente rapidez para mantenerse en control. Sus alas no tienen músculos, pero recogen información mediante sensores situados en las venas alares, que detectan cómo se deforman durante el vuelo.

La autora principal, la doctora Alexandra Yarger, investigadora asociada en el Imperial College London en el laboratorio del Dr. Huai-Ti Lin, grabó la actividad neuronal de las alas mientras se agitaban y se estimulaban con corrientes de aire para simular los movimientos naturales. La Dra. Yarger combinó estas mediciones con simulaciones mecánicas detalladas del comportamiento alar basadas en grabaciones de alta velocidad con multicámara de insectos en vuelo libre, dirigidas por el profesor Richard Bomphrey, catedrático de Biomecánica Comparada en el RVC, y el Dr. Simon Walker, profesor asociado de Biomecánica Comparada en la Universidad de Leeds. Este enfoque integrador permitió revelar cómo el tiempo en que se activan los sensores codifica las fuerzas aerodinámicas e inerciales, y cómo se reclutan sensores adicionales cuando el ala sufre perturbaciones.

Los resultados muestran que la estructura del ala desempeña un papel clave al limitar cómo puede deformarse, creando una estrecha relación entre diseño mecánico y ubicación de los sensores. Aunque teóricamente las alas podrían adoptar una amplia variedad de configuraciones, el estudio demuestra que, en la práctica, casi toda la deformación durante el vuelo normal se reduce a unos pocos patrones dominantes. De hecho, los investigadores descubrieron que aproximadamente el 99% del desplazamiento del ala puede describirse con tres componentes principales: flexión, torsión y curvatura.

De forma significativa, el análisis reveló que los sensores de tensión están situados exactamente en los puntos donde mejor se detectan los cambios en los patrones de deformación. Así, solo se necesitan unas pocas señales para representar con precisión el estado completo del ala, simplificando el trabajo del cerebro. Se trata de un ejemplo claro de computación morfológica, en la que la estructura física del organismo reduce de manera natural la carga sensorial y computacional del sistema nervioso. Durante un vuelo normal y sin perturbaciones, basta con unos pocos sensores para codificar el estado del ala; pero cuando esta sufre una alteración, se activan sensores adicionales para registrar las deformaciones más complejas.

Estos hallazgos ayudan a explicar cómo insectos con arquitecturas neuronales sencillas pueden monitorizar y responder a condiciones aerodinámicas complejas con una rapidez extraordinaria. Además del conocimiento biológico, el estudio destaca principios aplicables a la ingeniería, como el diseño de alas flexibles para aeronaves, drones de aleteo y otras tecnologías ligeras y deformables. Al diseñar estructuras que limiten las deformaciones innecesarias y colocar los sensores en los puntos más informativos, los sistemas artificiales podrían lograr un control fiable con menos sensores y menor carga computacional.

La Dra. Alexandra Yarger afirmó:

Libélula Crimson Marsh Glider - crédito: Dra. Alexandra Yarger

"La integración entre la estructura del ala y la ubicación de los sensores es un ejemplo elegante de computación morfológica: el cuerpo filtra y organiza la información sensorial antes incluso de que llegue al sistema nervioso.

"Hemos comprobado que las deformaciones aparentemente complejas se reducen a unas pocas características dominantes (principalmente flexión y torsión) que permiten a las libélulas monitorizar eficaz y eficientemente sus alas.

"Con solo unos pocos sensores bien colocados, las libélulas pueden supervisar sus alas en tiempo real, proporcionando una estrategia robusta y eficiente para el control del vuelo.

"Las libélulas han tenido cientos de millones de años para resolver los mismos problemas a los que aún se enfrentan los ingenieros; así que, en lugar de inventar soluciones completamente nuevas, estamos aprendiendo de un sistema moldeado por la evolución para funcionar con éxito."

Por su parte, Richard Bomphrey, profesor de Biomecánica Comparada en el RVC, señaló:

"Utilizando una amplia gama de técnicas -desde grabación multicámara de alta velocidad para capturar cómo cambian de forma las alas en vuelo, hasta registrar la actividad neuronal que se activa ante combinaciones específicas de flexión o torsión- hemos observado un sistema elegantemente evolucionado que permite a los insectos volar con tanta eficacia pese a tener cerebros diminutos."

Huai-Ti Lin, profesor asociado de Neuromecánica y Tecnologías Bioinspiradas en el Imperial College London, añadió:

"Han pasado diez años desde que coloqué por primera vez un electrodo en una ala de libélula y empecé a imaginar el mundo sensorial oculto en su interior. El camino desde entonces ha sido increíblemente inspirador, gracias al trabajo y la creatividad de un fantástico equipo multidisciplinar. Nuestros hallazgos sobre cómo un ala flexible codifica la información sensorial muestran claramente cómo la mecánica da forma al control sensoriomotor. Ahora es mi ejemplo favorito para explicar qué es la neuromecánica."

Este estudio contó con el apoyo del Biotechnology and Biological Sciences Research Council, el programa Ansys Academic Research Partner, la Royal Society Research Fellows Enhancement Award y The Grass Foundation.