REPORTATGE
Diumenge 29/03/2020

Les cases dels ocells, una obra d’enginyeria per desxifrar

Els nius no són totalment fruit de l’atzar, però quina és la lògica universal que segueixen les aus per construir casa seva? Aquesta i altres qüestions han captat l’interès d’alguns científics que exploren innovadores solucions de construcció

Text: Siobhan Roberts / The New York Times
8 min
Les cases dels ocells, una obra d’enginyeria per desxifrar

En anglès es fa servir l’expressió niu d’ocell per referir-se a un pentinat escabellat, a un fil de pesca enredat i a altres embolics d’una complicació inefable. Aquests usos, però, no fan justícia als ocells. De fet, el seu cervell diminut, d’una gran densitat neuronal, engendra meravelles que fa temps que han captat l’interès dels científics com a solucions d’enginyeria producte de la selecció natural, per bé que encara no es té una comprensió suficient dels nius. Al laboratori de disseny obert i biomètrica mecànica de la Universitat d’Akron (Ohio, Estats Units), groc i assolellat, on treballa Hunter King, físic experimental expert en matèria tova, s’ha posat en marxa una iniciativa que té com a finalitat desenredar la dinàmica estructural dels nius. “La nostra hipòtesi és que un niu d’ocell podria ser, a la pràctica, una bomba desordenada de bastonets de fusta amb la quantitat justa d’energia acumulada per mantenir-lo rígid”, explica King, que puntualitza que, evidentment, la bomba de bastonets no arriba a explotar mai. El científic és l’investigador principal d’una recerca en curs. Recentment, s’ha publicat un article a la revista Journal of Applied Physics sobre l’estudi preliminar d’aquest projecte, titulat Mechanics of randomly packed filaments - the ‘bird nest’ as meta-material [Mecànica de filaments col·locats aleatòriament: el niu d’ocell com a metamaterial].

King i el seu equip busquen respostes a preguntes senzilles: quin és el principi mecànic subjacent que hi ha darrere l’estratègia de construcció dels nius d’ocell?, quines són les característiques estadísticament consistents de l’ estat de niu? Dit d’una altra manera, què distingeix un niu dels mateixos bastonets, tiges i branquillons lligats amb força en forma de feix o escampats de qualsevol manera? “Els ocells fan el que anomeno una síntesi mecànica -explica King-. De la mateixa manera que, a escala molecular, els químics sintetitzen polímers d’una longitud o rigidesa variables anticipant-ne les propietats mecàniques a escala macroscòpica, l’ocell selecciona elements prims de l’entorn atenent a diversos criteris amb l’expectativa que el niu tingui certes prestacions”.

En un niu hi ha una certa química, gairebé una alquímia. D’uns components humils en sorgeix un tot superior i cohesiu. A més, presumiblement, el principi genèric que el regeix no és exclusivament aplicable als nius, sinó també a tot un ventall d’estructures arquitectòniques, envasos i elements d’absorció d’impactes, entre d’altres.

L’Estadi Nacional de Pequín, conegut com el Niu d’Ocell. Aquesta construcció es va concebre com un cúmul de peces col·locades de manera aleatòria. Finalment, les restriccions imposades per l’enginyeria van canviar els plans originals. L’estructura està formada per 42.000 tones d’acer ordenades al detall

King es va decantar pel cardenal com a espècie constructora de nius protagonista de l’estudi perquè construeix casa seva limitant-se a disposar els bastonets i tiges d’una manera determinada. El pit-roig, per contra, complica les coses afegint-hi fang. Com van escriure King i el seu equip a la proposta que els va permetre aconseguir una subvenció pública de la Fundació Nacional de la Ciència dels Estats Units: “Quan un cardenal construeix el seu niu emblemàtic en forma de copa, fa servir el seu propi cos com a patró i, a partir de branquillons prims, tiges d’herba i tires d’escorça, modela una estructura que, malgrat ser tova, manté la forma de manera constant enfront de diverses pertorbacions mecàniques”.

Per reproduir les interaccions delicades de geometria, elasticitat i fricció del niu, King i Nicholas Weiner, el seu assistent de postgrau, van concebre un petit experiment “que té un cert aire de pel·lícula de ciència-ficció”. Van construir un niu artificial: un cilindre que contenia centenars de broquetes de bambú tallades amb làser, comprades a l’engròs. A continuació, van crear una cambra a partir de les peces d’un aparell que es feia servir per caracteritzar la resposta mecànica del cautxú, i van posar-hi el niu artificial a l’interior per mesurar-ne la resposta quan se’l comprimia reiteradament. Per bé que l’objectiu és senzill, King qualifica de “poc agraït” l’experiment, perquè, en un sistema tan ric hi ha una gran abundància de factors que entren en joc. “Això fa que el problema no es presti gens a traduir-lo en teories elegants o a una anàlisi senzilla”, apunta.

Ja fa uns quants anys que King ha emprès aquesta línia de recerca. Els problemes que planteja des del punt de vista de la investigació estan tan entortolligats com els components d’un niu: tots els paràmetres que s’hi introdueixen i les condicions de contorn estan entrellaçats de tal manera que es fa difícil destriar-los.

Més que una metàfora

L’article publicat recentment per King i els seus col·laboradors constitueix principalment un repàs a l’àmbit de la recerca sobre els nius d’ocell i el seu estat actual. Un referent de la biblioteca de King és una obra clàssica de Mike Hansell que es titula Bird nests and construction behavior [Els nius d’ocell i el comportament constructiu]. Hansell és professor emèrit d’arquitectura animal a la Universitat de Glasgow i, per escriure l’obra, va fer treball de camp en museus d’arreu del món. A tall d’exemple, al Museu d’Història Natural de Londres hi va trobar “un niu amb forma de copa fet a base d’herba i petites arrels amb un aspecte d’allò més normal” que havia construït el turnagra de l’Illa del Sud ( Turnagra capensis ), una au extinta oriünda de Nova Zelanda. “L’última vegada que se’n va observar un exemplar va ser el 1947 -escriu-. Possiblement no queda cap altre niu d’aquesta espècie al món. És una manifestació perdurable d’un comportament que ja no es pot observar. Tocar-lo és acostar-se tant al seu artífex com qui toca una pinzellada d’un gira-sol de Van Gogh”.

En capítols i subseccions successius, Hansell examina qüestions com ara la forma, la decoració i la grandària dels nius, així com el niu en tant que factor de selecció per a l’aparellament. Per al mascarell camablau, la construcció del niu “es limita a la presentació exagerada a la femella de fragments diminuts de vegetació per part del mascle, un tret del qual es pot pensar fàcilment que està influït per la selecció sexual”, assenyala Hansell, fent una picada d’ullet a Charles Darwin.

Amb el pas dels anys, a través de trobades amb arquitectes i enginyers, Hansell ha desenvolupat “un cert escepticisme en relació amb les lliçons que [aquests professionals] poden treure dels nius d’ocell”, afirma en un correu electrònic. “Hi ha uns quants milers d’espècies d’ocells que nidifiquen. Cadascuna mira de generar un entorn per protegir la seva descendència que és específic per a la seva biologia i el seu medi. ¿En podem aprendre coses, d’aquestes estructures? De ben segur que sí, però per fer-ho n’hem de tenir una bona comprensió”.

King, per la seva banda, és més optimista. Al seu article examina el repertori de materials que fan servir els ocells -des de grans de sorra rodons fins a fins filaments de cotó fluix-, els quals adquireixen noves propietats. Quan s’apleguen els elements aleatòriament, es comporten de manera col·lectiva en un procés físic conegut com a encallament (en anglès, jamming ). “Si ens imaginem el material d’un niu d’ocell com una pila de bastonets amuntegats, cosa que, a molt grans trets, és correcta, es trobaria com a material en algun punt a mig camí entre la sorra i el cotó”, explica King. Com a referència, assenyala un article del 2012 en què s’estudia el procés de coherència i interpenetració pel qual grapes d’ús professional Duo-Fast, anomenades “partícules en forma d’u”, formen un agregat. També es refereix a un article del 2016 sobre “l’arquitectura aleatòria”. En llatí, alea fa referència als daus o al joc. Doncs bé, els autors d’aquest article es pregunten si el disseny pot sorgir del desordre: “¿Podem desenvolupar un vocabulari amb conceptes que serveixin per interpretar disposicions diverses fruit de l’atzar?”.

Les cases dels ocells, una obra d’enginyeria per desxifrar

Aviat és dit. En un primer moment es va concebre l’Estadi Nacional de Pequín, conegut com el Niu d’Ocell, com un cúmul de peces col·locades de manera veritablement aleatòria. Finalment, però, l’obra va fracassar en el seu objectiu conceptual a causa de les restriccions imposades per l’enginyeria. L’estructura està conformada per 42.000 tones d’acer ordenades al detall i ha esdevingut un mer “monument a una metàfora”, consideren els investigadors.

Tanmateix, hi ha hagut interpretacions literals més reeixides. Karola Dierichs i Achim Menges, arquitectes de l’Institut de Disseny Computacional i Construcció de la Universitat de Stuttgart, es van inspirar en la neu i la sorra per crear partícules amb forma d’estrella que es deixen caure en un indret i configuren una estructura nidiforme. És un exemple del que els arquitectes de la universitat alemanya anomenen “arquitectura agregada”. “L’estabilitat s’assoleix exclusivament per mitjà de contactes aleatoris en lloc de mecanismes adhesius o de fixació locals, com ara la cola o els cargols”, explica Dierichs.

Un comportament energètic asimètric

Evidentment, els nius d’ocell no són totalment fruit de l’atzar: el seu constructor n’entrellaça i col·loca els elements. Però quina és la seva lògica universal? Quina és la quinta essència de l’ estat de niu? King, com els ocells que fan un niu, té l’esperança que una certa “flexibilitat de pensament permeti revelar-ne la dinàmica subjacent”. King i els seus col·laboradors han estudiat com es compacten els materials del niu artificial i com el conjunt absorbeix l’energia. Fins avui, han observat el que King anomena “un estat estable d’histèresi producte d’un lliscament reversible”. El terme histèresi ve del grec antic i significa deficiència o endarreriment. Per explicar-ho de manera planera, descriu el fenomen pel qual un sistema físic es comporta de manera diferent segons els processos pels quals ha passat anteriorment. El sistema, per tant, té història. Si es pengen dues peses d’una lliura d’una goma i se’n treu una, quan només quedi una pesa, la goma continuarà estant més estirada que si d’entrada només se n’hi hagués penjat una. Això és la histèresi. La goma no es comporta com una molla ideal: el sistema perd energia.

Els nius col·locats en un cilindre de plexiglàs de King presentaven un comportament similar. Es va sotmetre repetidament els bastonets de fusta que els conformaven a una compressió lenta fins a assolir el màxim estrès per després afluixar la compressió. Amb cada cicle, els bastonets es comprimien una mica més i després rebotaven lleugerament, però només en part. Era un exemple d’histèresi en acció. Eventualment, el sistema acabava assolint la seva densitat màxima, o estat estable, per a cada relació d’aspecte (el diàmetre dividit entre llargària), és a dir, segons com fossin d’esprimatxats els bastonets.

Tot seguit, els investigadors van aixafar una mica més els bastonets sotmetent-losa més cicles. I, sorprenentment, les seves dades els indicaven que encara es produïa una certa histèresi. Era un fet inesperat i intrigant: els bastonets estaven densament compactats i no semblava que es continuessin reacomodant a l’interior de la cambra de compressió. L’equip va batejar aquest fenomen amb el nom d’“histèresi d’estat estable”.

Amb simulacions per ordinador, hi van trobar una explicació. De fet, els bastonets es comprimien més i es recol·locaven lleugerament quan un lliscava al llarg d’un altre. En retirar la pressió, però, aquest lliscament es revertia (“el lliscament reversible”). El niu esdevenia, doncs, una molla asimètrica: rígid quan estava sota pressió, tou al retirar-l’hi. En efecte, un estudi polonès del 2018 que també va influir en aquesta investigació apuntava a un efecte similar. Aquest fenomen podria ser exactament el que persegueixen els investigadors: un procés subjacent darrere dels mecanismes dels nius (la seva resposta mecànica fonamental quan se’ls sotmet a un esforç), que també s’hauria de poder observar en altres sistemes.

Val a dir que aquestes constatacions només són conclusions preliminars. King les continuarà investigant tant al laboratori com mitjançant més simulacions a càrrec de l’enginyer mecànic Mattia Gazzola i el seu doctorand Yashraj Bhosale, del Centre Nacional d’Aplicacions de la Supercomputació d’Urbana-Champaign de la Universitat d’Illinois.

stats