Las medusas que se mueven a través de los mares pulsando suavemente sus cuerpos en forma de saco puede parecer que no guardan muchos secretos que interesarían a los ingenieros humanos. Pero por simples que sean las criaturas, las medusas son maestras en aprovechar y controlar el flujo del agua a su alrededor, a veces con una eficiencia sorprendente. Como tales, incorporan soluciones sofisticadas a problemas de dinámica de fluidos de los que pueden aprender ingenieros, matemáticos y otros profesionales. Juan Dabiri, un experto en ingeniería mecánica y aeroespacial del Instituto de Tecnología de California, habla con Steven Strogatz en este episodio sobre lo que las medusas y otras criaturas acuáticas pueden enseñarnos sobre el diseño de submarinos, la ubicación óptima de las turbinas eólicas y corazones humanos sanos.

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Expediente académico

Steven Strogatz (00:03): Soy Steve Strogatz y esto es La alegría de por qué, un podcast de Quanta revistaque lo lleva a algunas de las preguntas más grandes sin respuesta en matemáticas y ciencias en la actualidad.

(00:14) La gente dice que la biología es una gran maestra para los ingenieros. Solo piense en todo lo que un águila volando puede enseñarnos sobre aerodinámica. Mi invitado de hoy pensó que una medusa sería algo instructivo para estudiar para una pasantía de verano en ingeniería. Y años más tarde, todavía está estudiando las medusas por la gran cantidad de información que tienen para ofrecer sobre la dinámica de fluidos, el tema de este episodio.

(00:36) ¿Qué nos puede enseñar el movimiento de las medusas y los bancos de peces sobre el movimiento del aire, el agua e incluso la sangre? Al estudiar las matemáticas de cómo los bancos de peces se mueven al unísono, nuestro invitado de hoy ha podido descubrir cómo colocar turbinas eólicas para generar energía limpia de manera más eficiente. Pero eso no es todo. Resulta que la forma en que nada una medusa puede incluso informarnos sobre la salud de un corazón humano. Y las medusas nos han enseñado nuevos trucos sobre la propulsión submarina, que podrían ser útiles para una nueva generación de diseño de submarinos. Pero dejemos que nuestro invitado John Dabiri nos cuente más. Es profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial en Caltech. el ganó el Premio Waterman en 2020, el honor más alto de la nación para científicos e ingenieros de carrera temprana. También es miembro del presidente Biden Consejo de Asesores en Ciencia y Tecnología. Bienvenido, profesor John Dabiri.

Juan Dabiri (01:31): Gracias Steve. Es genial estar aquí.

Strogatz (01:33): Realmente es un gran placer tenerte aquí. Nos conocemos desde hace un tiempo, pero no creo que hayamos tenido la oportunidad de hablar de negocios antes, así que estoy entusiasmado con esto. Sabes, tengo que confesarte, aunque vamos a hablar mucho contigo sobre las medusas, nunca he sostenido una medusa, nunca me ha picado una medusa.

dabiri (01:51): Te lo estás perdiendo. He hecho ambos.

Strogatz (01:55): ¿Cómo es eso? ¿Cómo fue tu encuentro cercano con las medusas que involucraron picaduras?

dabiri (02:00): Bueno, ya sabes, en realidad era una sesión de fotos que estaba haciendo para una revista y el fotógrafo pensó que sería bueno para mí conocer de cerca a mis sujetos. Entonces me metió en el agua y me dijo que me agarrara a la gelatina. Y mientras tanto, sus tentáculos comenzaron a gotear por todas mis piernas. Así que fue una sesión de fotos muy dolorosa, pero conseguimos la toma.

Strogatz (02:21): ¿Estás haciendo muecas en la imagen?

dabiri (02:23): Ya sabes, de alguna manera se las arreglaron para que pareciera que estoy sonriendo y disfrutando todo, aunque fue bastante miserable.

Strogatz (02:29): Bueno, lo siento, hoy no te someteremos a nada de eso.

dabiri (02:31): Gracias, gracias.

Strogatz (02:33): Entonces, ya sabes, cuando veo, como en los programas de televisión de David Attenborough u otros programas de la naturaleza, las medusas nadan, se ven casi como una bolsa, como una bolsa de celofán que el agua empuja. . Pero sé que eso no puede ser correcto. No son solo nadadores pasivos. Entonces, ¿puedes contarnos un poco? ¿Cómo se mueven? ¿Tienen músculos?

dabiri (02:52): Lo hacen, y de hecho, las medusas son los primeros animales que conocemos capaces de moverse en el océano. Esa natación que ves en esos documentales está impulsada por una sola capa celular. Piense en una capa muy delgada de músculo que puede contraerse y expandirse con un ritmo casi como el latido de su corazón. Y eso les permite impulsarse a través del océano.

Strogatz (03:13): Entonces cuando hablas del ritmo, eso me hace pensar, entonces, ellos también deben tener un sistema nervioso controlando los músculos.

dabiri (03:20): De hecho, las medusas no tienen ningún sistema nervioso central. Ellos tampoco tienen cerebro. Todo lo que tienen son estos pequeños grupos de células alrededor de su cuerpo que les dicen cuándo disparar sus músculos, cuándo contraerse. Y entonces usan esos músculos para coordinar su movimiento de natación de una manera que es muy diferente de cómo tú y yo nos movemos.

Strogatz (03:39): Ajá. Entonces, es... Hay una campana, ¿verdad? Hablan de la campana. ¿Qué significa la campana?

dabiri (03:42): Así es. Entonces, si miras una medusa en un acuario, se ve como un paraguas o una bolsa como dijiste. Y alrededor del borde inferior de ese paraguas, hay un par de racimos, generalmente alrededor de ocho. Y esos son los lugares donde el cuerpo envía las señales para nadar, para contraer el músculo. Y así, al coordinar esas señales de contratación, pueden nadar a través del agua con un consumo de energía muy bajo en el proceso.

Strogatz (04:12): Sí, definitivamente no me identifico con eso cuando pienso en mi propia natación, que es tan incómoda y gasta mucho, y desperdicia mucha energía. Entonces, ¿qué es lo que estás diciendo aquí? ¿Dices que son nadadores muy eficientes? ¿Qué quieres decir?

dabiri (04:27): Sabemos que las medusas fueron unos de los primeros animales en nadar hace más de 200 millones de años. Han sobrevivido a eventos de extinción masiva. Y así, durante mucho tiempo, se ha pensado que debe haber algo en su capacidad para moverse de manera eficiente que les permitió sobrevivir durante tanto tiempo en los océanos, para sobrevivir incluso frente a nadadores más exóticos como delfines y tiburones, los que que podrías pensar cuando piensas en un excelente nadador.

(04:53) Bueno, resulta que la forma del cuerpo muy simple de estas medusas, el paraguas simple, crea lo que se llama anillos de vórtice. Piense en una rosquilla de agua arremolinada. Entonces, cada vez que el animal contrae sus músculos, crea esta rosquilla de agua. Y casi sale de esa rosquilla de agua arremolinada para moverse a través del agua sin tener que usar mucha energía en el proceso. Así que es una brazada de natación muy diferente a la que tú o yo intentaríamos lograr en el océano, pero es bastante efectiva.

Strogatz (05:25): Entonces, de repente, una imagen viene a mi mente. Dime si estoy en el camino equivocado con esto o no. Pero cuando era niño en un campamento de verano, recuerdo hacer piragüismo. Y nos harían poner nuestro remo en el agua. Y me dijeron que hiciera un golpe en J, donde empujas hacia atrás con la paleta y luego la enroscas hacia atrás. Y se podían ver pequeños remolinos, pequeños remolinos de agua saliendo de eso.

dabiri (05:46): Así es.

Strogatz: Ese trazo, ¿es relevante para lo que estás hablando con los vórtices?

dabiri (05:50): Lo es. Por todo el océano, y de hecho, incluso ahora, mientras les hablo, mi boca está empujando el aire a mi alrededor y creando estas corrientes arremolinadas que llamamos vórtices. Entonces, cuando estás nadando, estás creando esos vórtices. Ese remo de canoa crea estos vórtices arremolinados. Lo que es diferente acerca de las medusas en sus anillos de vórtice es que tienen esta forma circular casi perfecta. Y esa forma circular les permite nadar con una eficiencia superior a la que tú o yo somos capaces de generar acariciando nuestros brazos o el remo de una canoa. Así que es realmente la forma de esos vórtices, esas corrientes arremolinadas, esa es la clave de su natación muy eficiente. Y eso es lo que durante mucho tiempo tratamos de comprender al desentrañar el misterio de cómo estos animales han sobrevivido durante tanto tiempo en el océano. Son realmente esos anillos circulares de vórtice la clave.

Strogatz (06:41): Entonces, veamos si tengo la imagen bien en mi cabeza. Cuando hablas de un anillo de vórtice circular, ahora la otra imagen que te viene a la mente es esa... no... La gente no fuma tanto como antes, pero sabes a dónde voy, ¿verdad? Por ejemplo, hay tipos que fuman cigarros, o personas que soplan anillos de humo.

dabiri (06:57): Exacto.

Strogatz: ¿Es ese el tipo de círculo que se supone que debo imaginar saliendo de los labios redondeados de alguien?

dabiri (07:02): Absolutamente. Cuando yo, cuando solía enseñar, este era el ejemplo que usaba clásicamente (pero ahora estamos tratando de desalentar fumar o vapear). Pero si imaginas una versión no tóxica de ese ejemplo, tienes toda la razón. Son esos anillos de humo que la gente soplaría que parecen una rosquilla de aire y giran, y mantienen esa forma circular a largas distancias de la persona que los sopló.

(07:23) Tal vez otra versión de esto es que a veces verás delfines haciendo esto en el océano, jugando con anillos de burbujas que tienen una forma similar a la de ellos. Es una dona de agua con aire atrapado en el centro. Y la forma en que los delfines pueden mantener esos anillos en ese caso se debe a la estabilidad de ese tipo particular de corriente arremolinada. Es realmente único en dinámica de fluidos.

Strogatz (07:47): Muy bien, tan divertido como es hablar de medusas, y ciertamente son muy geniales y eficientes. Pero para aquellas personas que escuchan y que pueden estar preguntándose, ¿por qué estamos gastando tanto esfuerzo en ellos? Ayúdanos a entender más ampliamente. ¿De qué se trata la dinámica de fluidos? ¿Dónde se aplica en el resto de la ciencia o la tecnología?

dabiri (08:09): Sí, la dinámica de fluidos nos rodea por todas partes. De hecho, para mí, una de las áreas de aplicación realmente emocionantes, al crecer como aspirante a ingeniero mecánico, fue pensar en cohetes y helicópteros más efectivos, sistemas de propulsión en general. Ahora, sabemos que este campo de la dinámica de fluidos, el estudio de cómo se mueven el aire y el agua, es realmente complicado en términos del movimiento que hace el agua o el aire, en términos de cómo tratamos de describirlo utilizando la física. Y entonces surgió un movimiento, ahora hace un par de décadas, para decir: ¿Por qué no estudiamos algunos sistemas animales que ya lo han descubierto, descubierto cómo nadar de manera eficiente o cómo volar de manera eficiente? De hecho, puedes retroceder siglos hasta Leonardo da Vinci y tratar de entender cómo desarrollar el vuelo propulsado por humanos observando a las aves. Así que en realidad hay un largo legado de estudio de los sistemas naturales para obtener inspiración sobre cómo podemos desarrollar tecnologías más efectivas. Así es como entré en el campo.

(08:29) Resulta que incluso un animal tan simple como las medusas tiene mucho que enseñarnos debido a cómo interactúan con el agua de una manera tan elegante. Y eso es lo que realmente nos ha llevado a estudiar las medusas en particular en este campo más amplio de lo que a veces se denomina biomimética o ingeniería bioinspirada. Mirando la biología para Encontrar soluciones para desafíos de ingeniería.

(09:08) Pero la medusa surgió, en realidad, de mi deseo de tener un proyecto de verano conveniente. Estuve aquí en Caltech para un proyecto de investigación de verano y mi asesor aquí dijo: "Vamos al acuario y tratemos de encontrar un sistema animal para estudiar", de la misma manera que en mis años universitarios estudié helicópteros y cohetes. Para ser honesto, no estaba emocionado por eso. En ese momento, pensé que vendría a Caltech para estudiar cohetes y propulsión. Caltech tiene el Laboratorio de Propulsión a Chorro, por el cual es famoso. Pero llegamos al acuario y pensé: “Bueno, aquí tengo un proyecto de 10 semanas. Déjame elegir el animal más simple que pueda encontrar. Ya sabes, debería ser más fácil idear un modelo simple para ello”. Y así, las medusas parecían una salida fácil. Y, por supuesto, aquí estamos 20 años después, y todavía estoy tratando de averiguar cómo funcionan.

Strogatz (10:17): Debo decir que, como matemático, siempre me atrajo la dinámica de fluidos porque es muy dificil. Algunos de los problemas matemáticos más difíciles a los que nos hemos enfrentado en el área que me interesa, en ecuaciones diferenciales, surgieron por primera vez en relación con problemas de dinámica de fluidos. Mencionaste, OK, entonces cohetes, propulsión a chorro para, podríamos pensar en aviones, hay aplicaciones médicas.

dabiri (10:42): Absolutamente. Acabamos de salir del Covid [Covid-19]. Quiero decir, para darle un ejemplo muy presente: Preguntas sobre el transmisión de covid realmente eran preguntas de dinámica de fluidos. ¿Cómo se forman los aerosoles? ¿Cómo se transmiten? ¿Cómo se recogen en otras personas? Si quiero diseñar una máscara, ¿cuál es una forma efectiva de hacerlo? En cambio climático, modelar el clima de la Tierra es en gran parte un problema de dinámica de fluidos. La dinámica de fluidos aparece en todos los aspectos de nuestra vida.

(11:11) Lo que creo que es realmente emocionante sobre este estudio de los sistemas animales es que, desde mi perspectiva, si estás construyendo un avión, es un ser humano que se sienta frente a una computadora e intenta resolver esas ecuaciones tan complejas que describiste para averiguar cuál es la forma ideal del ala, cuál es la forma ideal del resto del avión. De alguna manera, las medusas resuelven ecuaciones diferenciales parciales todos los días mientras nadan en el agua.

(11:35) Entonces, solo tenemos que descubrir exactamente qué es lo que les permite nadar para llegar a esa solución particular a esas ecuaciones diferenciales. Y luego la esperanza es que podamos aplicar eso a nuestros propios problemas de diseño donde no tenemos las mismas restricciones que las medusas tuvieron en la evolución. Tenemos un cerebro, un sistema nervioso central y más de una sola capa celular de músculo para trabajar. Tenemos materiales de ingeniería con los que podemos trabajar. Ahora tenemos IA para trabajar. Y si combinamos lo que sabemos sobre las medusas con todas las herramientas a nuestra disposición como ingenieros, realmente el cielo es el límite en cuanto a lo que podemos desarrollar.

Strogatz (12:09): Bueno, entonces entremos en la cuestión de cómo lo están haciendo las medusas. ¿Qué tipo de experimentos hiciste para descubrir cómo usan los anillos de vórtice que generan cuando contraen su campana?

dabiri (12:21): Entonces, el primer desafío a abordar es el hecho de que el agua y el aire son transparentes. Incluso mientras estamos sentados aquí hablando entre nosotros, el aire que nos rodea está en constante movimiento debido a nuestra respiración. Realmente no podemos percibir eso. Lo mismo es cierto en el agua. Si vas a un acuario, para ti la atracción principal probablemente sean los animales, pero para mí, es el agua que los rodea. El problema es que no puedes ver fácilmente el movimiento del agua simplemente mirando el tanque. Entonces, lo que hicimos fue desarrollar algunas tecnologías nuevas para ayudarnos a medir el agua que rodea a los animales.

(12:53) Lo primero que podrías hacer es pensar en poner tinte en el agua, como un colorante alimentario, porque eso mostrará cómo se transporta el agua localmente. Es una imagen cualitativa. Te da una especie de descripción general, pero no es algo en lo que puedas poner números fácilmente para decir que el agua se mueve tan rápido en esta dirección.

(13:11) Pero lo que podemos hacer es usar algunas técnicas que son comunes en ingeniería. Usando láseres, por ejemplo. Entonces, en el agua, hay partículas diminutas suspendidas; piense en la arena o el limo que está suspendido en el agua. Podemos iluminar eso con láminas láser. Tome un puntero láser que pueda tener en casa y bríndelo a través de una barra de vidrio, y extenderá ese rayo en una fina lámina de luz. Así que pasamos esa lámina de luz a través del agua. Se refleja en todas esas partículas suspendidas que están en el agua. Y ahora podemos rastrear cada una de esas pequeñas partículas, casi como una noche estrellada en movimiento. Así es como se ven los videos. Y cada una de esas estrellas, esas partículas de sedimento en el agua, nos dice algo sobre cómo el agua se mueve localmente alrededor del animal.

(13:56) Así que desarrollamos estas técnicas en el laboratorio. Entonces, el gran desafío es ir y encontrar medusas en el campo y medirlas. Tuve la suerte de encontrar estudiantes dispuestos a ir a nadar con medusas y llevar láseres con ellos.

Strogatz (14:10): Pero entonces, déjame entender esto... Puedes llevar el puntero láser o lo que sea bajo el agua y no hay problema.

dabiri (14:15): Bueno, eso fue parte de — el estudiante, kakani [katija] era su nombre. Su doctorado La tesis era desarrollar la tecnología que nos permitiera hacer esto. Para que un buceador pudiera entrar en el océano, acercarse con mucho cuidado a estas medusas y luego poder encender el láser y medir el agua a su alrededor. Y resulta que pudo capturar con bastante éxito por primera vez las corrientes arremolinadas con un detalle realmente exquisito.

Strogatz (14:42): ¿Y también hay alguna configuración de cámara de video?

dabiri (14:45): Lo hay. De hecho, esa tecnología de imágenes se basa en gran medida en video. Así que está obteniendo un video de esa agua en movimiento, las partículas de sedimento que reflejan la luz del láser. Y así, al observar cómo evoluciona el agua alrededor del animal, podemos darnos cuenta de que, en algunos casos, los animales no están poniendo tanta energía en el agua para moverse. A eso lo llamamos movimiento eficiente. Cuando pueden avanzar sin tener que agitar mucha agua a su alrededor.

(15:12) Curiosamente, algunas especies de medusas rara vez nadan, pero cuando lo hacen, es en modo de supervivencia, es para escapar de un depredador o para atrapar a su presa. En esos casos, pondrán mucha energía en el agua. Nuestro pensamiento al respecto es que es una cuestión de supervivencia. No estás tan preocupado por la eficiencia cuando se trata de matar o morir. Y entonces, en esos casos, también podemos ver una diferencia en el agua alrededor de los animales, todo capturado por esta técnica láser.

Strogatz (15:41): OK, tal vez toda mi imagen de la bolsa de celofán está tan mal, y necesito sacármelo de la cabeza, pero me parece que encontraría mucha resistencia, incluso si tiene un buen, movimiento coordinado. Debe haber algún truco en la forma en que estos anillos de vórtice se comportan para ayudar a que el movimiento sea tan eficiente como es. ¿Tus medidas revelaron algo sorprendente o engañoso que están haciendo las medusas?

dabiri (16:05): Sí, es una gran pregunta. Y hay un par de maneras de pensar en esto. En primer lugar, debo retroceder y decir en términos del comportamiento de las medusas, una de las diferencias entre lo que hacen naturalmente y lo que podríamos pensar en nuestros propios submarinos, las medusas usan esas mismas corrientes para alimentarse. Entonces, a medida que crean estos anillos de vórtice, esa corriente arremolinada en realidad atrae a la presa hacia sus tentáculos, donde es capturada y devorada.

(16:30) Entonces, es muy plausible que, de hecho, el movimiento que vemos, ellos moviéndose del punto A al punto B, no sea en realidad el resultado deseado. Es simplemente la consecuencia inevitable de las leyes de acción y reacción de Newton. En algunos casos, los animales están creando estos anillos de vórtice solo para atraer presas. Pero debido a que están empujando esa agua, la reacción es que se mueven en el proceso. Entonces, para ellos, ese movimiento eficiente no es necesariamente tratar de llegar a algún lugar con prisa.

(16:59) Donde lo que hemos podido hacer es decir, “Tomemos esa misma idea, la formación del anillo de vórtice. Nuestro submarino no necesita alimentarse de la misma manera que las medusas”. Y así podemos ir más rápido, por ejemplo, usando esa misma técnica de propulsión, aunque los animales reales no lo hagan. Esta es realmente la distinción entre una copia de memoria de la biología, ya sabes, que se remonta a los días en que las personas intentaban lograr un vuelo propulsado por humanos batiendo las alas con mucha fuerza. Eventualmente, encontramos el éxito al usar alas fijas y colocarle un motor a reacción. Y ese fue el truco. Entonces, aquí, queremos tener cuidado de no simplemente copiar ciegamente lo que hacen las medusas, sino preguntar qué aspectos de su comportamiento conducen a una propulsión eficiente. Y luego, cuando queramos diseñar un submarino que sea rápido y eficiente, podemos desviarnos del plan que nos dieron los animales.

Strogatz (17:50): Entonces, con respecto al diseño de submarinos futuristas, ¿hay algún principio u observación que hayamos extraído de las medusas que podría sugerir algún tipo de nuevo diseño loco?

dabiri (18:02): Hemos explorado esta pregunta. Y la clave nuevamente son estos anillos de vórtice, estas corrientes circulares en forma de rosquilla que se arremolinan. Si podemos idear un diseño de submarino que pueda crearlos, pero que no requiera el movimiento muy flexible de una medusa natural, descubrimos que en realidad podría ser un valor agregado importante para los diseños de submarinos actuales. Hemos probado esto en el laboratorio. Entonces, lo que puede hacer es tomar un submarino propulsado por hélice convencional y agregar un accesorio mecánico en la parte posterior que, en lugar de tener un flujo de chorro continuo y suave impulsado en la parte posterior, cree un flujo más agitado. Así que piense en un pulso del flujo detrás del vehículo. Pudimos demostrar que ese vehículo podría tener un 30 o incluso un 40 % más de eficiencia energética que el mismo tipo de vehículo sin esa pulsación en el flujo.

(18:55) Ahora, la parte difícil aquí es crear un diseño mecánico que no sea demasiado complejo. Si hace que esa parte sea demasiado compleja, reemplazará esos componentes. Y, de hecho, esos mismos componentes mecánicos pueden absorber energía del vehículo. Y por eso no hemos podido idear un diseño que logre la dinámica de fluidos inspirada en las medusas sin componentes mecánicos demasiado complejos. Y ese ha sido el misterio sin resolver allí.

Strogatz (19:23): Bueno, antes de dejar las medusas y su propulsión, quiero entrar en las turbinas eólicas en un minuto, pero me gustaría hablar un poco más sobre los anillos de vórtice en el reino animal. Porque he oído de algunos de mis colegas que estudian el vuelo de los insectos o el vuelo de los colibríes o, ya sabes, las libélulas, los halcones... Hay muchas criaturas que hacen uso de los vórtices de varias maneras. Aunque todos los ejemplos que acabo de mencionar están en el aire, no en el agua. ¿Puede contarnos un poco acerca de las diferencias o similitudes entre las criaturas aéreas y... bueno, no diré las acuáticas? ¿Usted sabe lo que quiero decir? Si estoy en el agua o en el aire.

dabiri (20:02): Sí, entonces los acuáticos. Sí, y podemos llevar eso un paso más allá hacia la sangre. Porque en el corazón humano, el mismo tipo de vórtices terminan formándose en el ventrículo izquierdo, esa sangre oxigenada que pasa de la aurícula izquierda al ventrículo izquierdo. Esto es antes de que pase por el resto de su cuerpo. Hay un punto en el que pasa a través de una válvula y obtendrás anillos de vórtice que son sorprendentemente similares a los que crea una medusa o un calamar. Así que tienes toda la razón, este bucle de vórtice o motivo de anillo, a veces las estructuras de cadena más complejas. Pero en cada uno de estos diferentes sistemas animales, vemos que esto vuelve a ocurrir.

(20:26) Así que gran parte de nuestra investigación, de hecho, ha sido tratar de entender si hay algunos principios subyacentes que podamos aprender sobre el diseño de estos anillos de vórtice. Y resulta que los hay. Entonces, no todos los anillos de vórtice se crean de la misma manera en el sentido de que hay ciertos anillos de vórtice que son excelentes para una propulsión eficiente, como el ejemplo de la medusa del que acabamos de hablar. Pero hay diferentes tipos de anillos de vórtice que se crean en el caso de intentar generar mucha fuerza. Si solo quiero moverme muy rápido, por ejemplo, las medusas que quieren escapar de un depredador crean un anillo de vórtice que es diferente de los anillos de vórtice muy eficientes de los que hemos estado hablando hace un momento.

(21:15) Entonces, lo que pensamos, y esto es quizás hace un par de décadas, es que tal vez podríamos usar esa idea para comprender los anillos del vórtice en un sistema muy diferente, el corazón humano. Entonces, como dije, durante el llenado del ventrículo izquierdo, se forma este anillo de vórtice. Resulta que en un paciente sano frente a un paciente que tiene ciertas enfermedades, una llamada miocardiopatía dilatada, un corazón agrandado, por ejemplo, sus anillos de vórtice se ven muy diferentes de los anillos de vórtice que se formaron en un paciente sano. Lo que encontramos fue una correlación interesante donde el cambio que vemos entre un paciente sano y algunos de estos pacientes con estas patologías es muy similar a la diferencia entre una medusa nadando eficientemente y una que está escapando de un depredador o tratando de atrapar a su presa.

(22:05) Y entonces, uno de los beneficios clave de observar estas firmas dinámicas de fluidos de eficiencia versus disfunción es que esos cambios a veces pueden ocurrir antes de los cambios estructurales en el corazón o antes de algunos de los cambios sistémicos en todo el cuerpo que dirían algo te pasa Entonces vimos esto como una oportunidad para un diagnóstico más sensible y temprano o una señal de enfermedad y disfunción en el cuerpo humano. Posteriormente, ha habido otros laboratorios para mostrar que, de hecho, estos cambios en el flujo dentro del corazón pueden ser un marcador efectivo de enfermedad en humanos.

Strogatz (22:45): Wow, John, eso es emocionante.

dabiri (22:47): Sí, una conexión muy clara e inesperada. Pero Steve, se remonta a su punto anterior sobre la recurrencia de este motivo de anillo de vórtice en la dinámica de fluidos, ya sea aire, agua o sangre, ya sea nadando, organismos voladores o si está sentado aquí hablando entre sí con nuestro corazones bombeando sangre.

Strogatz (23:06): Bueno, esto es genial. Estoy realmente asombrado por este último ejemplo médico. Porque, quiero decir, especialmente que podría ser un sistema de alerta temprana y diagnóstico temprano. Pero me pregunto, ¿cuál es la tecnología de imágenes que permite, ya sabes, no vas a poner sedimentos en el corazón, verdad? ¿Que estamos haciendo? ¿Es todo? ¿Aparece en la ecografía o en la resonancia magnética? ¿Cómo te verías?

dabiri (23:26): Exacto. Sí. Entonces, el trabajo inicial se realizó en MRI. Más recientemente, las técnicas de ultrasonido. En lo que también están trabajando los laboratorios actuales es potencialmente incluso en la detección acústica, de modo que el flujo de sangre en ciertos tipos de formación de vórtices tenga un sonido que sea detectable, efectivamente, por un estetoscopio electrónico. El objetivo aquí es encontrar la tecnología más simple que le permita detectar esto, porque no todos tendrán una máquina de resonancia magnética a su disposición o una máquina de ultrasonido a su disposición. Pero podría imaginar un dispositivo de medición de sonido de medición acústica de $ 10 a $ 20 que podría comprar en Walmart y poder detectar este tipo de cambios, y tener eso en casa.

(24:10) Así que ese es el objetivo. No estamos allí todavía de ninguna manera. Pero lo que han hecho las medusas nos da un objetivo inicial de lo que debemos buscar, en términos de los cambios en el flujo que ocurrieron en esos pacientes sanos versus enfermos.

Strogatz (24:24): Bueno, está bien, ahora salgamos del agua. Y comience a hablar un poco sobre algunos de los trabajos que ha realizado con sus colegas sobre turbinas eólicas en California, en Alaska para ayudar a que sean más eficientes. Entonces, antes que nada, si digo aerogenerador, la primera imagen que me viene a la mente es una de esas hélices gigantes blancas que se alzan muy alto en algún campo en algún lugar. ¿Es esa la imagen correcta o debo tener una imagen diferente en mi cabeza?

dabiri (24:54): Entonces estas turbinas son un tipo diferente de turbina. Aunque nuestro trabajo estuvo motivado en gran medida por algunos de los desafíos con esas grandes turbinas. El mayor desafío es que las turbinas individuales son muy eficientes en términos de qué tan bien pueden convertir el movimiento del viento en electricidad. El desafío es que a favor del viento de cada una de esas turbinas, crean mucho aire picado o turbulencia. Ese aire picado reduciría el rendimiento de cualquier turbina que estuviera a favor del viento de la primera.

(25:24) Y es por eso que si ves uno de estos parques eólicos, las turbinas están muy separadas. Porque están tratando de asegurarse de que el aire picado entre las turbinas no reduzca el rendimiento del grupo.

(25:36) Siempre me pareció un poco irónico que si observas la naturaleza, piensas en bancos de peces en el océano, están agitando sus colas, están creando sus propias estelas, como las llamamos. Así que ese aire agitado detrás de la turbina eólica lo llamamos estela. Los peces también crean estas estelas. Nadan en grupos y no se separan tanto como sea posible. Pero en cambio coordinan sus posiciones, uno con el otro. De hecho, pueden aprovechar el flujo que se crea. De modo que el todo es mayor que la suma de sus partes. Lo que significa que un grupo de peces puede nadar más eficientemente juntos que separados unos de otros. Vemos esto en el ciclismo, el Tour de Francia. Verás a los ciclistas aprovechando la aerodinámica de sus vecinos.

(26:17) Entonces, la pregunta aquí era si podíamos encontrar una analogía con esos bancos de peces que funcionarían para ubicar turbinas eólicas. Ahora, aquí está el lugar donde, casi por coincidencia, doy una clase en Caltech sobre la dinámica de fluidos de nadar y volar. Y en mis conferencias sobre cardúmenes de peces, escribo en la pizarra las ecuaciones de cómo predeciría esa interacción beneficiosa entre las turbinas eólicas. Una de las características clave de esos modelos son estos vórtices de los que hemos estado hablando hasta ahora. Las corrientes arremolinadas que crearían los peces. El modelo matemático para uno de esos vórtices es casi idéntico a cómo representarías lo que se llama aerogeneradores de eje vertical.

(27:01) Entonces, me detendré allí por un segundo y diré que las turbinas eólicas a las que están acostumbrados a ver las turbinas de hélice, como hablamos, se llaman turbinas eólicas de eje horizontal. Porque las aspas giran alrededor de un eje que es horizontal. Una turbina eólica de eje vertical, las palas giran alrededor de un eje que sobresale del suelo verticalmente. Entonces, como un tiovivo, por ejemplo, sería un ejemplo de un sistema de tipo eje vertical. Esos sistemas pueden representarse matemáticamente de manera casi idéntica a los bancos de peces.

(27:31) Y esa fue la conexión, donde dije, bueno, tratemos de pensar en diseñar parques eólicos que tengan ese tipo de banco de peces de orientación. Así que hice que un par de estudiantes en el laboratorio para uno de sus proyectos hicieran un estudio sobre cómo eso mejoraría el rendimiento de los parques eólicos en términos de la energía que se podría producir en un terreno determinado.

(27:52) Digamos que te doy, Steve, 10 acres y digo que quiero que generes tanta electricidad como puedas usando las turbinas eólicas convencionales. Para los de estilo hélice, probablemente solo podría colocar una de esas turbinas en esa parcela de tierra. Para estas turbinas eólicas de eje vertical más pequeñas, según los cálculos de lápiz y papel, podría obtener 10 veces más energía de la misma parcela de tierra aprovechando estos efectos.

(28:15) Ahora, eso es un cálculo de lápiz y papel hasta que puedas decir, bueno, esa es una gran idea teórica. Pero tuvimos la suerte de estar aquí en Caltech, donde fui al departamento y dije: "Me gustaría comprar un terreno y probar esto". Y esto fue alrededor de la época de la caída del mercado de 08-09. Y así podrías conseguir terrenos bastante baratos. Así que compramos un par de acres de tierra aquí en la parte norte del condado de Los Ángeles por, creo, solo $ 10,000 o $ 15,000. E hicimos un trato con una de las empresas que construye estas turbinas eólicas de eje vertical de que nos daría las turbinas gratis a cambio de los datos. Porque es muy caro probar, ya sabes, una nueva turbina si eres una startup.

(28:54) Entonces colocamos un conjunto de estas turbinas en ese campo. Llegamos a unas dos docenas de ellos, de hecho, en nuestro sitio de campo. Y pudimos demostrar en el mundo real que, de hecho, se podía obtener 10 veces más energía de una parcela de tierra usando este tipo de diseño inspirado en los peces. Así que fue un hallazgo realmente emocionante, y uno que todavía continuamos buscando hoy.

Strogatz (29:14): Muy, muy, muy emocionante. Nunca había oído hablar de esto. Quiero decir, tenía una vaga idea de que habías trabajado en la colocación de turbinas eólicas inspirada en bancos de peces, pero solo para escucharte contar la historia y en la compra de la tierra, quiero decir, no lo sé. Es solo un aparte personal: soy un matemático que nunca compra terrenos para probar mis ideas. Me pregunto si cuando la gente piensa en las críticas normales de las turbinas eólicas grandes y altas que parecen hélices, ya sabes. ¿Crees que esto es más atractivo estéticamente o menos atractivo? Me imagino que parecería que no tienen que ser tan altos o bloquear la vista de las personas.

dabiri (30:00): Exacto. De hecho, estudiamos esto científicamente mientras yo estaba en la Universidad de Stanford trabajando con Bruce Cain, científico social. Pudimos estudiar en California las actitudes sobre estos diferentes tipos de turbinas. Y tienes toda la razón. Es el menor impacto visual como característica importante.

(30:17) Pero uno que es aún más significativo es el impacto potencialmente menor en las aves y los murciélagos, que es, para las grandes turbinas un desafío continuo, la posibilidad de que las aves se topen con las palas, o los murciélagos y otras áreas. Estas turbinas eólicas de eje vertical están más bajas, como dijiste, en el suelo, pero también tienen una firma visual diferente. Entonces, francamente, en los casos de turbinas grandes, un pájaro simplemente no puede ver la pala antes de que sea demasiado tarde. En el caso de estos aerogeneradores de eje vertical, la firma visual es mucho más evidente, porque las palas se mueven más lentamente que en los grandes aerogeneradores.

(30:54) Ahora, la razón por la que no los ves en todas partes ahora, dado lo que te acabo de decir, es que todavía hay trabajo por hacer para mejorar su confiabilidad, que de alguna manera, me gusta decir que es no es ciencia espacial, ya sabes, tenemos gente aquí en el campus poniendo rovers en Marte. Claramente, deberíamos poder diseñar una turbina eólica que pueda durar todo el invierno de Alaska, por ejemplo. Pero aún no hemos llegado allí, simplemente no ha habido mucha inversión en estos nuevos tipos de tecnologías, porque es muy costoso desarrollar un nuevo hardware de energía. Así que es un trabajo en progreso.

Strogatz (31:25): Mencionaste que algunas de las ideas provienen de las matemáticas. Por ejemplo, había matemáticas asociadas con bancos de peces que luego podrían adaptarse al caso de las turbinas eólicas.

dabiri (31:36): Así es.

Strogatz: Estoy tratando de imaginar esas matemáticas. ¿Puedes decir un poco más? ¿Cuál es la matemática que entra en eso?

dabiri (31:42): Sí, claro. Entonces, lo que intentamos encontrar cuando pensamos en un vórtice, por ejemplo, es una descripción matemática simple de cómo un vórtice afecta el flujo circundante. Y así tenemos en nuestro campo, algo llamado teoría del flujo potencial. Es una representación simplificada de estos flujos de fluidos más complejos que hemos estado describiendo. El beneficio es que en una hoja de papel, puedo escribir una ecuación que dice, si tengo un vórtice en un lugar determinado, esto es lo que hará todo el aire o el agua alrededor de ese vórtice. Podemos escribir eso en una sola línea de matemática.

(32:19) Entonces, el beneficio de esta teoría del flujo potencial es que si, por ejemplo, tengo un vórtice a mi izquierda y un vórtice a mi derecha, puedo calcular de inmediato cómo se afectan entre sí simplemente sumando esos dos efectos. Llamamos a esto una superposición lineal, pero solo estamos agregando esos dos efectos uno encima del otro.

(32:38) Lo que eso significa cuando estudio bancos de peces es que puedo escribir una ecuación una vez y si quiero saber los efectos de 20 peces, puedo efectivamente multiplicar la respuesta por 20, más o menos, sin tener que hacer muchos cálculos más complicados. En el caso de los aerogeneradores, para poder diseñar un parque eólico óptimo, una vez que tengo la representación matemática de uno de esos aerogeneradores, puedo optimizar todo un parque de 1,000 o si quisiera 10,000 aerogeneradores, sin tener que desarrollar alguna matemática nueva, de verdad. Así que es una forma muy conveniente de representar estos sistemas.

(33:13) Resulta que esa representación matemática fundamental de un vórtice que arroja un pez es casi idéntica, con una diferencia de prefactor, a las representaciones matemáticas de esas turbinas eólicas de eje vertical. Y entonces, la conveniencia de mapear uno a uno el problema del banco de peces con el problema de la turbina eólica nos permitió tomar prestada mucha de la misma optimización matemática que se hizo para llegar a configuraciones óptimas de bancos de peces y usar eso casi directamente para optimizar el parques eólicos.

(33:45) La única diferencia es el objetivo. En el banco de peces, se podría decir que la optimización está tratando de minimizar el arrastre que ese grupo de peces verá mientras se mueve por el agua, o minimizar la energía gastada por todos esos peces mientras nadan. En el caso del parque eólico, mi objetivo podría ser, "permítanme maximizar la cantidad de energía que estoy recolectando del viento" o "permítanme tratar de diseñar este sistema para que, para el viento que viene de direcciones particulares, obtenga viento máximo dependiendo de la topografía local que tengo en el trabajo.” Así que la maquinaria matemática subyacente es la misma. Los objetivos para los que optimizamos pueden ser diferentes.

Strogatz (34:25): Solo tengo que pensar que cualquiera que escuche esto se sorprenderá como yo por el tipo de mente que se necesita para hacer el trabajo que estás haciendo. La amplitud de interés que muestra, ya sabe, moviéndose libremente entre la ingeniería de parques eólicos, los aspectos médicos de los vórtices en el corazón, las matemáticas necesarias para entenderlo. Probablemente ni siquiera hayas mencionado la informática todavía, pero supongo que eso entraría.

dabiri (34:50): Absolutamente. Es muy divertido. Sí.

Strogatz: Buena actitud.

dabiri (34:55): No, lo es. Solo diría que muchas veces, creo, los estudiantes, los que están en la escuela secundaria o en la universidad, tienen la impresión de que en la vida tienen que elegir una cosa. Voy a estudiar biología, o voy a estudiar química, voy a estudiar física. Y esa es la cosa. En realidad, algunas de las investigaciones más interesantes se encuentran realmente en la intersección de estos diferentes campos. Y no quiere decir que fue un camino fácil para sentirse cómodo con esos diferentes campos. Aquí en Caltech en mi primer año como estudiante de posgrado, tomé una clase de biología con francis arnold, el ganador del Premio Nobel. Digamos que tomé la clase dos veces porque no me hizo clic la primera vez. Al mismo tiempo, creo que vale la pena luchar para aprender estos diferentes campos porque puedes ver los problemas, creo, desde nuevas perspectivas de esa manera.

Strogatz (35:45): Eso es muy inspirador. Entonces, cambiemos de marcha a algo con lo que está ocupado estos días, que es asesorar a la administración Biden sobre turbinas eólicas. ¿Puede decir algo sobre el trabajo que está haciendo con el gobierno?

dabiri (36:01): Sí, absolutamente. Sabes, ha sido un honor servir en esta capacidad. Y diré que realmente no se ha relacionado directamente con ninguno de nuestros objetivos de investigación en particular. El grupo, en el Consejo del Presidente, creo que todos estamos ampliamente interesados ​​en la ciencia y su desarrollo en este país. Un área particular que me apasiona es ver que nuestra infraestructura de investigación, y con eso me refiero desde la escuela secundaria hasta los colegios y universidades y los programas de investigación de posgrado que permitían a las personas seguir estas líneas de investigación menos convencionales como lo que hemos estado hablando

(36:39) Entonces, en retrospectiva, realmente aprecio escuchar el tipo de reacción positiva que tienes a estas ideas. Puedo decirles que cuando escribí propuestas por primera vez para tratar de financiar este trabajo, fueron rechazadas una tras otra porque suenan un poco raras. Ya sabes, la idea de que cualquier cosa sobre la natación de las medusas informaría los diagnósticos cardíacos, o que la educación de los peces nos diría algo sobre las turbinas eólicas. Se siente un poco extraño, y no tenía ejemplos para señalar, para decir que esto necesariamente sería un éxito. Entonces, los revisores normalmente tendrían la reacción inicial: "Bueno, ¿y si no funciona?" Donde siempre pienso: “Bueno, ¿y si funciona? ¿Qué tan genial sería eso? ¿Qué podría desbloquear eso? Y desafortunadamente, en este momento normalmente no financiamos el trabajo sobre la base de "¿y si funciona?" Por lo general, es "¿y si no es así?" Y creo que esa es una de las piezas de política que espero que podamos abordar dentro del Consejo del Presidente.

Strogatz (37:40): Bueno, entonces estás en California. Un gran problema, como todos saben en California, son los incendios forestales. Y creo que eso debería ser algo en lo que habría pensado una persona interesada en la dinámica de fluidos. ¿Tiene algo que informar al respecto?

dabiri (37:55): Así es. En el Consejo de Ciencias del presidente Biden, tuve el privilegio de copresidir un grupo que piensa en cómo podemos usar la ciencia y la tecnología para abordar mejor los incendios forestales. Sabemos que en los últimos años se han vuelto más frecuentes y, en algunos casos, más graves, particularmente aquí en California. Y, sin embargo, hay tecnologías que no estamos usando actualmente, por ejemplo, comunicación para los bomberos, IA [inteligencia artificial] para ayudar a predecir la progresión de los incendios forestales e incluso tecnologías como robótica y drones para ayudar a interferir con el camino del fuego antes de que el los primeros en responder pueden llegar. Nuestro trabajo ha identificado una gran cantidad de tecnologías nuevas y emergentes que creemos que podrían ayudar a detener los impactos negativos de estos eventos de incendios forestales. Por lo tanto, esperamos que se tomen medidas tanto a nivel federal como estatal y local sobre esas recomendaciones.

Strogatz (38:48): ¿Entonces la dinámica de fluidos influye en todo eso de alguna manera?

dabiri (38:52): Sí, la dinámica de fluidos es, de hecho, uno de los impulsores más importantes de la progresión de un incendio forestal. Piense en los vientos que transportan brasas ardientes y podrían dictar si terminan o no cruzando un cortafuegos. Los vientos pueden determinar qué tan rápido se mueve un fuego. Entonces, cuando hemos tenido incendios forestales realmente catastróficos, en algunos casos ha sido porque los vientos eran de 70 u 80 millas por hora. Entonces, uno de los desafíos clave para combatir estos incendios forestales es poder usar modelos de dinámica de fluidos para predecir la progresión futura del fuego. Requiere nuevos tipos de datos sobre el viento cerca del suelo para complementar los datos del aire superior.

(39:31) Pero también lo que podemos hacer al simular diferentes ubicaciones es ayudar a las comunidades vulnerables a prepararse con anticipación para los incendios forestales, saber que, en función de su topografía y vegetación, y con estos modelos de dinámica de fluidos, poder decirles qué partes de la comunidad es probable que vean primero el frente de ese incendio. Eso puede informar los planes de evacuación, por ejemplo.

Strogatz (39:54): Bueno, supongo que ninguna discusión sobre dinámica de fluidos estaría completa sin mencionar la turbulencia. A menudo se le llama el mayor problema sin resolver de la física clásica. Sabes, lo que me gustaría es solo un pequeño tutorial, como, ¿qué es incluso el problema de la turbulencia? ¿Qué es lo que a la gente le gustaría entender?

dabiri (40:12): Sí. La forma simple en que a veces lo describo es que en la dinámica de fluidos, tenemos un conjunto de ecuaciones que explican el movimiento de fluidos de una manera que es lo suficientemente buena para diseñar un avión, pero no lo suficientemente buena para decirle cuándo ese avión va a entrar en turbulencia. . Entonces, nuestras ecuaciones de dinámica de fluidos no han podido predecir algunas de las ocurrencias más comunes que vemos en un flujo de fluido. Si piensas en el grifo de tu casa y lo abres un poco, tiene esa apariencia realmente vidriosa. Subes el grifo un poco más y luego, espontáneamente, se vuelve mucho más áspero. Obtienes una transición a un flujo turbulento. Observamos esto en todo tipo de experimentos de laboratorio, y aún no tenemos una explicación teórica clara de cuándo ocurre ese tipo de transición a la turbulencia.

Strogatz (41:01): Muy interesante. Por coincidencia, anoche, tal vez no sea una coincidencia, tal vez inconscientemente estaba pensando en nuestra próxima discusión. Pero justo estaba pensando en Richard FeynmanLa conferencia de en sus famosas conferencias sobre física, allí mismo en Caltech, probablemente no muy lejos de donde estás sentado, donde habla sobre el flujo del agua y el misterio perdurable de la turbulencia. E incluso menciona que en un ventilador, si miras la aspa de un ventilador, como en tu ático o algo así, siempre encontrarás una capa delgada de polvo, partículas de polvo muy pequeñas. Lo que parece misterioso, señala Feynman, porque el aspa del ventilador se mueve a una velocidad tremenda por el aire. Y, sin embargo, no está soplando esas pequeñas partículas de polvo. Y entonces siento que este es el lugar donde debemos terminar: que tú, quería decir, eres una especie de Leonardo da Vinci moderno. Pero ahora comencé a pensar que tal vez también seas un Richard Feynman moderno.

dabiri (41:03): Que tal vez si algún día puedo resolver el problema de la turbulencia, podemos considerar ese tipo de idea. Pero de momento, sí, solo soy un niño de Toledo al que le encantan las medusas.

Strogatz (42:06): Perfecto. Muchas gracias, John Dabiri, por acompañarnos hoy.

dabiri (42:10): Gracias por recibirme.

Locutor (42:14): Los viajes espaciales dependen de las matemáticas inteligentes. Encuentra sistemas solares inexplorados en Quanta revistaHyperjumps, el nuevo juego diario de matemáticas. Hyperjumps te desafía a encontrar combinaciones de números simples para llevar tu cohete de un exoplaneta al siguiente. Alerta de spoiler: siempre hay más de una forma de ganar. Pon a prueba tu aritmética astral en hiperjumps.quantamagazine.org.

Strogatz (42: 40): La alegría de por qué es un podcast de Quanta revista, una publicación editorialmente independiente apoyada por la Fundación Simons. Las decisiones de financiación de la Fundación Simons no tienen influencia en la selección de temas, invitados u otras decisiones editoriales en este podcast o en Quanta revista. La alegría de por qué es producido por Susan Valot y Polly Stryker. Nuestros editores son John Rennie y Thomas Lin con el apoyo de Matt Carlstrom, Annie Melchor y Zach Savitsky [así como Nona McKenna y Saugat Bolakhe]. Nuestro tema musical fue compuesto por Richie Johnson. A Julian Lin se le ocurrió el nombre del podcast. El arte del episodio es de Peter Greenwood y nuestro logo es de Jaki King. Agradecimiento especial a Burt Odom-Reed en Cornell Broadcast Studios. Soy su anfitrión, Steve Strogatz. Si tiene alguna pregunta o comentario para nosotros, envíenos un correo electrónico a GME@dhr-rgv.com Gracias por su atención.