Os pelos do corpo ajudam os animais a se manterem limpos – e podem inspirar tecnologias de autolimpeza

Publicado originalmente por David Hu (Georgia Institute of Technology) e Guillermo Amador ((Wageningen University), em The Conversation

Observe uma mosca pousar na mesa da cozinha e a primeira coisa que ela faz é se limpar, com muito, muito cuidado. Embora não possamos vê-lo, a superfície do animal está coberta de poeira, pólen e até ácaros insidiosos que podem se enterrar em seu corpo se não forem removidos.

Ficar limpo pode ser uma questão de vida ou morte. Todos os animais, incluindo nós, seres humanos, levam a limpeza tão a sério. Todos os anos , passamos um dia inteiro tomando banho e outras duas semanas limpando nossas casas. A limpeza pode ser tão fundamental para a vida quanto comer, respirar e acasalar.

No entanto, de alguma forma, a limpeza tem recebido pouca atenção.

Em nosso novo artigo de revisão no Journal of Experimental Biology, discutimos como a limpeza acontece na natureza e se os animais realmente têm princípios para se limpar. Observamos as imagens do microscópio para contar o número e o tamanho dos pelos em centenas de animais. Lemos quase uma centena de artigos sobre limpeza na natureza , tentando colocar números no processo de limpeza.

Extrapolar princípios é um passo importante para a ciência e ainda mais necessário para a engenharia. Aprender maneiras melhores de limpar nos permitirá não apenas entender a humilde mosca, mas também construir novos tipos de dispositivos que permanecem limpos por mais tempo.

O cabelo amplia enormemente a área de superfície do corpo

Para entender como os animais se limpam, é preciso primeiro entender como eles se sujam. A sujeira se acumula no exterior de um animal apenas como consequência de viver a vida. A área da superfície de um animal não é tão fácil de calcular quanto medir as dimensões de uma caixa de papelão. A maioria dos animais – de mosquitos a elefantes – são peludos. Além do exterior da pele de uma criatura, os pelos fornecem mais área de superfície onde a sujeira pode se acumular.

Descobrimos que, em média, o pelo aumenta a área de superfície aparente de um animal por um fator de cem. Assim, um gato tem a superfície de uma mesa de pingue-pongue. (Isso explica por que é tão difícil limpar os animais de estimação.) Uma chinchila tem a área de superfície de um SUV. E uma lontra marinha tem a superfície de um rinque de hóquei.

Nós, pessoas, temos cerca de 100.000 fios de cabelo na cabeça . O número de pelos em outros animais é comparativamente impressionante. Uma borboleta tem 100 bilhões de pelos, mais de 10 vezes a de um castor. A abelha tem três milhões de pelos, o mesmo número de um esquilo.

Além disso, nos animais existem tantos tipos de pelos quantos tipos de penteados temos. Os animais têm tríquias, espinhos, macrotríquias, cerdas, escamas, pelos de todas as formas e tamanhos . Uma coisa é certa: o cabelo aumenta a área de superfície do corpo e, portanto, piora muito o problema da limpeza. O que você prefere limpar, um piso de linóleo ou um carpete felpudo?Uma mosca da fruta tirando o amido de milho de sua cabeça e antenas. Este é um vídeo de alta velocidade, desacelerado 33 vezes.

Cabelo como aparelho de limpeza

Para limpar seu corpo, quase todos os insetos têm pernas peludas, cada perna parecendo um espanador. Observar como as pernas interagem com os pelos do corpo revela uma das características surpreendentes dos pelos. Usamos uma câmera de vídeo de alta velocidade para observar uma mosca-da-fruta escovar a cabeça com os braços. Partículas presas aos pelos do corpo são catapultadas em quase 1.000 vezes a aceleração da gravidade, muito mais rápido do que a mosca pode mover seus membros. Cabelos que inicialmente agiam como almofadas de aterrissagem para poeira agora atuam como trabucos, acionados pelos braços peludos que se movem sobre eles.Vídeo em alta velocidade, desacelerado 600 vezes, de uma mecha de cabelo humano sacudindo a antena de uma mosca da fruta. As partículas de amido de milho que são lançadas viajam em mais de 1.000 vezes a aceleração da gravidade da Terra.

A limpeza eficaz não é simplesmente projetar um bom utensílio de limpeza, como o rodo. Também está projetando uma superfície pronta para facilitar a limpeza. E muitas vezes essas superfícies na natureza desafiam a imaginação.

Identificamos dois princípios básicos de limpeza. A primeira é uma estratégia de limpeza não renovável – utiliza fontes de energia do próprio animal. Os exemplos incluem limpeza, que é semelhante a aspirar um carpete e requer energia para mover a escova.

Outros exemplos são os movimentos de cachorro molhado: nenhum instrumento de limpeza é usado, mas sim a própria inércia do corpo. Um cachorro molhado gira seu corpo em alta velocidade como uma máquina de lavar em seu ciclo de centrifugação. Partículas e gotas são removidas, gastando a energia do cão no processo.

Alternativamente, existem estratégias de limpeza renováveis ​​– aquelas que não exigem energia do animal, mas são gratuitas.

Um exemplo é o cílio, a borda dos cabelos que circunda o olho. Quando caminhamos para a frente, o fluxo de ar gerado pelos cílios reduz o acúmulo de partículas em um fator de dois, em comparação com o olho nu. Assim, simplesmente aumentando os cílios, podemos piscar com metade da frequência, economizando essa energia para outros usos.

Outro exemplo são as almofadas de alfinetes em nanoescala nas asas da cigarra. As bactérias agem como balões de água, explodindo quando estão em contato. Por fim, as gotas de chuva podem rolar pelo pelo de um animal peludo, arrastando consigo partículas e deixando-o limpo como uma folha de lótus.

Superfície + energia + comportamentos = limpo

A forma como os animais se limpam é uma interação entre a superfície do animal, seus comportamentos e a energia de seu ambiente. Um animal fica limpo de graça se tiver o tipo certo de superfície. Se tivermos essa mentalidade, talvez possamos projetar novos dispositivos que também sejam limpos de graça.

Considere painéis solares. Como o olho, eles devem deixar a luz entrar. Mas os painéis solares perdem 7% de sua energia anualmente devido ao acúmulo de poeira. A solução mais high-tech é o rodo. Quando você pensa sobre isso, a era do computador nos colocou anos-luz à frente de nossos ancestrais em termos de comunicação, mas nossos métodos de limpeza permanecem presos no passado.

Imagine painéis solares projetados como olhos de insetos. Filamentos finos podem ser colocados periodicamente para suspender a poeira acima do painel, mas ainda permitir a penetração da luz. Limpar o painel equivaleria simplesmente a limpá-lo com outro pincel. Assim como os insetos, o painel pode ficar limpo sem o uso de água ou produtos químicos. Da mesma forma, as câmeras de vídeo, os olhos dos robôs, podem ser cercadas de cílios para reduzir a deposição. Construir sistemas peludos sintéticos é o assunto de nossa concessão da National Science Foundation, Engineering Insect Eyes .

Normalmente, imaginamos futuros robôs cobertos por superfícies lisas e brilhantes, como um automóvel cromado. Mas na natureza, superfícies lisas dificilmente são a norma. Mesas futuras podem ter postes de tamanho nano que esticam e matam bactérias em contato. Rovers robóticos podem ser cobertos com pelos que detectam seus ambientes, suspendem partículas e facilitam a limpeza. De fato, o futuro pode parecer bastante complicado.

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