Por que os pássaros são os melhores engenheiros do mundo

*Por Siobhan Roberts

O termo "ninho de pássaro" hoje descreve um penteado bagunçado, linha de pesca emaranhada e outros enigmas indescritíveis. Mas isso é uma injustiça com as aves. Seu cérebro minúsculo, denso de neurônios, produz maravilhas que há muito capturam o interesse científico como soluções de engenharia natural – mas os ninhos ainda não são bem compreendidos.

Um esforço para desvendar a dinâmica estrutural do ninho está em andamento no Laboratório de Biomimética Mecânica e Design Aberto, de Hunter King, físico experimental de matéria mole na Universidade de Akron, em Ohio.

"Temos a hipótese de que o ninho de pássaros pode ser efetivamente uma bomba de gravetos desordenada, com energia armazenada o suficiente para mantê-lo rígido", disse King. Ele é o principal pesquisador de um estudo em andamento, com um artigo preliminar de revisão, "Mecânica de filamentos aleatoriamente embalados – O 'ninho de pássaros' como metamaterial", publicado recentemente no "Journal of Applied Physics". (Ele acrescentou que, obviamente, a bomba de gravetos do ninho das aves nunca explode.)

King e seus colegas procuram responder a perguntas simples: qual é o princípio mecânico por trás da estratégia de construção do ninho? Quais são as características estatisticamente robustas do "estado do ninho"? Ou seja, o que separa um ninho dos mesmos gravetos reunidos em um pacote apertado ou desordenadamente espalhados?

"Os pássaros executam o que chamo de 'síntese mecânica'. Enquanto que, em escala molecular, um químico sintetiza polímeros de comprimento ou rigidez variáveis em antecipação às propriedades mecânicas, a ave escolhe elementos delgados de seu ambiente, com alguns critérios de seleção, na expectativa de desempenho do ninho", explicou King.

Um ninho tem certa química – uma alquimia, quase. De partes humildes, uma soma maior emerge com coesão. E, presumivelmente, seu princípio genérico não seria exclusivo dos ninhos. Em vez disso, seria amplamente aplicável a estruturas em arquitetura, embalagem, absorção de choque e muito mais.

Para protagonista do estudo, King escolheu o cardeal, porque na construção de seu ninho ele essencialmente agrupa gravetos; o pisco complica as coisas com lama. Como King e seus colaboradores escreveram na proposta que lhes rendeu uma bolsa da Fundação Nacional de Ciência: "Quando um cardeal constrói seu icônico ninho em forma de cuia, usa seu próprio corpo como modelo e molda galhos finos, folhas de grama e tiras de casca em uma estrutura que, apesar de sua maciez, seguramente mantém sua forma contra várias perturbações mecânicas."

Ao modelar a delicada interação de geometria, elasticidade e atrito do ninho, King e um assistente de pós-graduação, Nicholas Weiner, fizeram um experimento com "certo toque steampunk". Eles construíram um ninho artificial: um cilindro contendo centenas de espetos de bambu, cortados a laser e comprados a granel. Em seguida, em torno deles, criaram – a partir dos componentes de um aparelho anteriormente usado para caracterizar a resposta mecânica da borracha – uma câmara para medir a resposta do ninho enquanto ele era repetidamente comprimido.

Embora o objetivo seja simples, King chama o experimento de "feio", porque o sistema tem uma abundância excessiva de fatores em jogo. "Isso torna o problema não muito afeito à teoria elegante ou à análise simples", disse ele.

King persegue essa linha de investigação há vários anos. Em se tratando de problemas de pesquisa, há a bagunça de um ninho de pássaro: todos os parâmetros de entrada e as condições limitantes se misturam de um modo difícil de isolar.

Um ciclo de energia assimétrica

Claro, um ninho não é totalmente aleatório; o construtor tece ou coloca os elementos. Mas qual é a lógica universal? Qual é a quintessência do "estado do ninho"? Como um pássaro construindo um ninho, King espera que uma "flexibilidade no pensamento" "deixe a história subjacente emergir".

Ele e seus colaboradores exploraram como os materiais do ninho artificial se juntam e como o conjunto absorve energia. Até agora, observaram o que King chamou de "histerese de estado estável causada por deslizamento reversível".

O termo "histerese" é derivado do grego antigo, que significa "deficiência" ou "atraso". Simplificando, ele descreve como um sistema físico se comporta de forma diferente dependendo do que foi feito anteriormente – o sistema tem uma história. Pendure dois pesos em um elástico e então remova um deles. Com apenas um peso restante, o elástico ainda ficará mais esticado do que se apenas um peso tivesse sido adicionado no início. Isso é histerese. O elástico não está se comportando como uma mola ideal; há uma perda de energia para o sistema.

Algo semelhante aconteceu com os "ninhos" no cilindro de plexiglass de King. As varetas foram lentamente comprimidas por estresse máximo, e depois liberadas, repetidamente. Durante cada ciclo, elas se comprimiam um pouco mais e depois se recuperavam, mas apenas parcialmente; isso é a histerese acontecendo. Por fim, para qualquer espessura de vareta – sua proporção, diâmetro dividido por comprimento –, o sistema encontra sua densidade máxima, ou estável.

Em seguida, os pesquisadores esmagaram as varas um pouco mais, com ciclos adicionais. Mas seus dados sugeriam que a histerese ainda estava acontecendo. Isso foi inesperado e intrigante; as varas estavam em densidade, e não parecem estar se reorganizando mais na câmara de esmagamento. A equipe chamou a isso "histerese de estado estável".

Com simulações de computador, eles chegaram a uma explicação. As varas estavam de fato se comprimindo ainda mais, reorganizando-se ligeiramente quando uma deslizava ao longo da outra. Mas esse deslizamento se desfazia após a liberação – "deslizamento reversível". O ninho se tornou uma mola assimétrica: duro quando comprimido, macio após a liberação. (Um estudo polonês, de 2018, também influente para esta investigação, sugeriu um efeito semelhante.)

Esse fenômeno pode ser exatamente o que os pesquisadores procuram: um processo que esteja por trás do funcionamento de um ninho – sua resposta mecânica fundamental à força – e que deve estar presente em outros sistemas.

Essas são apenas descobertas preliminares, que King continuará a explorar em laboratório; e há novas simulações de Mattia Gazzola, engenheiro mecânico, e de seu aluno de doutorado, Yashraj Bhosale, na Universidade de Illinois no Centro Nacional para Aplicações de Supercomputação de Urbana-Champaign.

King também gostaria de encontrar pássaros dispostos a colaborar. Recentemente, ele participou de uma conferência de biologia de aves no Reino Unido, em busca de conselhos. Um ano antes, havia requisitado cardeais no Zoológico de Akron para monitorá-los enquanto construíam ninhos, mas estes mostraram pouco interesse nos materiais que ele trouxe da loja local de artesanato.

Depois de dar sua palestra, ele foi abordado pelo pesquisador Shoko Sugasawa e por Maria Tellos-Ramos, pesquisadora de pós-doutorado do laboratório Cognição no Mundo Natural de Sue Healy, na Universidade St. Andrews. Eles sugeriram que os tentilhões da zebra poderiam ser candidatos melhores.

"Os tentilhões se reproduzem normalmente em cativeiro e ficam felizes em usar uma variedade de materiais, incluindo tiras de papel, cordas de algodão e fibras de coco. Para a pesquisa de Hunter, será particularmente informativo ver como diferentes materiais de ninho mudam as propriedades do produto resultante", afirmou Sugasawa, que está montando um laboratório que vai filmar as aves em uma gaiola de reprodução.

King também vai tentar a sorte novamente no zoológico, com varetas e fibras de flexibilidade e comprimento variados, embora não esteja contando com a galinha antes do ovo.

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