Biomimesi, quando l’uomo si ispira alla Natura per trovare soluzioni

Gli organismi viventi intorno a noi e i loro comportamenti sono i modelli più elevati da imitare.

Avendo a disposizione milioni di anni per lavorare a un problema, le mutazioni casuali e i cambiamenti graduali dati dall’evoluzione troveranno più facilmente una soluzione a cui la semplice ingegnosità umana, per quanto supportata da computer, non potrà far fronte. Questo il principio alla base della biomimesi, il cui nome deriva dal greco bios (vita) e mimesis (imitazione): idee dalla natura o dalla vita che fa parte di essa.

Le imitazioni possono interessare organismi viventi in sé, i loro meccanismi evolutivi, e anche i loro comportamenti di gruppo; oppure si può trarre ispirazione dalle costruzioni che gli animali realizzano come rifugio o tana: ne abbiamo parlato diffusamente qualche giorno fa nell’articolo Biomimesi, idee dalla Natura per la sostenibilità del costruire.

Importante è altresì l’imitazione diretta della biologia: l’ottimizzazione di una specifica prestazione è una delle strategie più utilizzate dagli organismi; da millenni la natura punta infatti all’ottimizzazione di forme o strategie che adoperano il minore quantitativo di materiale possibile o lo riusano. Così come le api riutilizzano la cera negli alveari abbandonati per costruirne di nuovi per i propri simili.

E come ci affascinano “architetture” e forme bellissime e perfettamente ottimizzate, ci lasciano a bocca aperta molti comportamenti animali di singoli o di gruppo. La capacità di aderenza delle zampe del geco, la resistenza allo schiacciamento dello scarafaggio, la capacità di salto di alcuni mammiferi, la velocità di alcuni felini, i sensi particolarmente potenziati di molti animali.

Ma anche la capacità di lavorare insieme, nella fuga per la salvezza, nella costruzione dei rifugi o tane e nel reperimento e trasporto del cibo, per fare un esempio sui gruppi.

Molti sono i campi che attingono idee dalla Natura, dalla biologia animale e dai loro comportamenti: l’ingegneria robotica è certamente uno dei più prolifici in termini di realizzazioni ma non è il solo, molti settori dell’ingegneria, dell’architettura e design, e della medicina guardano con sempre più attenzione alla biomimesi.

Vediamo alcune tra le più interessanti applicazioni alla robotica e all’impiantistica:

La resistenza allo schiacciamento dello scarafaggio è da tempo fonte di ispirazione per scienziati per creare robot o mezzi sempre più indistruttibili. L’attuale panorama robotico prevede “creature” rigide o con arti flessibili agili abbastanza ad evitare traumi; le auto più moderne assorbono l’energia di impatto e si accartocciano, ma nessun robot o auto finora è in grado di deformarsi per poi tornare come prima. Nel corso della loro vita taluni insetti come le blatte, ma anche vespe ed api, impattano con un gran numero di ostacoli senza riportare danni, si piegano ma non si spezzano. Taluni insetti hanno questa dote, la resilienza, di deformarsi momentaneamente per poi tornare come prima. Gli scarafaggi ci riescono grazie a un esoscheletro coriaceo e allo stesso tempo flessibile, con placche dure ma pieghevoli connesse da membrane elastiche che permettono ai vari segmenti di sovrapporsi quando il corpo dell’insetto viene compresso.

Robert Full e Kaushik Jayaramat dell’Università della California – Berkeley hanno studiato in laboratorio blatte americane spesse circa 9 mm, costringendole a infilarsi in strette fessure alte appena 3 mm, dalle quali gli insetti sono riusciti ad uscire indenni e a gran velocità. Da questi e altri studi similari sono nati robot che aspirano a possedere la stessa resilienza: uno di questi è CRAM, alto 75 cm con un esoscheletro capace di funzionare anche in posizioni “compresse” e in grado di muoversi 5-10 volte più rapidamente dei robot “morbidi”. Vedere questo divertente e illuminante video del robot CRAM ci fa capire come l’ispirazione qui sia andata ben oltre l’aspetto del design.

Una ricerca pubblicata su Proceedings of the National Academy of Sciences  ha mostrato come i termitai interagiscono con l’esterno come dei grandissimi “polmoni” che sfruttano la differenza di temperatura tra il giorno e la notte per buttare fuori l’aria viziata e far entrare ossigeno. Dall’osservazione dei sistemi di ventilazione dei termitai – una delle più grandi ed efficienti opere di ingegneria animale con strutture anche imponenti (arrivano fino a 6 m. di altezza) – è stato visto come riescano a mantenere temperature pressoché costanti nonostante l’escursione termica esterna, grazie al sistema che creano di ricambio dell’aria. All’interno del nido di terra, cartone o sterco si trova un condotto centrale connesso a un sistema di tunnel secondari che sfociano nelle sottili strutture a contrafforte collocate al perimetro della struttura. Durante il giorno l’aria calda tende a salire e quella fresca a scendere, generando così un sistema di circolazione d’aria autonomo dai fattori esterni. Alla sera accade il contrario e l’aria periferica si raffredda e scende al centro del termitaio, mentre quella ricca di anidride carbonica e calda sale e viene espulsa all’esterno. Le termiti aprono e chiudono i fori di aerazione per regolare la temperatura a seconda del bisogno. Una temperatura costante è essenziale perché esse coltivino un particolare tipo di fungo, loro principale alimento.

Il meccanismo sta ispirando progetti di architettura passiva in cui la ventilazione di edifici sia realizzata con soluzioni ingegneristiche di corretta canalizzazione dell’aria piuttosto che affidata a impianti termoconvettivi, dispendiosi in termini energetici e ambientali. Un esempio recente è dato dall’architetto contemporaneo Mick Pearce che ha preso come fonte ispiratrice proprio questi meccanismi di autoraffrescamento e di ventilazione osservabili nelle tane delle termiti africane per progettare l’Eastgate Building Centre di Harare in Zimbabwe: il risultato è un edificio che usa almeno il 10% in meno di energia rispetto a un edificio con le stesse dimensioni situato nella stessa località.

Da tempo l’uomo studia anche il potere adesivo delle zampe dei gechi per cercare di riprodurre in laboratorio la spiccata adesività delle loro estremità, basata su un sistema di setole, fini lamelle sottili come capelli che ampliano l’area di contatto con muri, foglie e soffitti e instaurano con essi forze intermolecolari attrattive note come Forze di Van der Waals. Una singola zampa di geco può sostenere un peso pari a 20 volte quello del suo corpo.

Ricercatori dell’Università della California di Riverside hanno studiato questo “potere” adesivo sia prima che dopo 30 minuti dalla morte del geco, andando a scoprire che il potere adesivo rimane invariato anche in quei minuti dopo il decesso. Questo perché l’attaccamento che instaurano con le superfici funziona in totale autonomia, senza l’apporto di muscoli o del sistema nervoso. Questo studio, pubblicato sulla rivista Biology Letters, può fornire spunti interessanti per la progettazione di robot o strutture con queste formidabili caratteristiche di resistenza.

L’adesività del geco è talmente impressionante che gli scienziati hanno lavorato a lungo, per oltre dieci anni, per replicarla e sfruttarla nella creazione di nastri adesivi e colle per uso umano. La nuova ricerca potrebbe aiutare a mettere a punto nuovi sistemi adesivi, destinati a obiettivi ambiziosi come robot che possano arrampicarsi sui muri o appendersi a varie superfici; altre applicazioni, anche più futuristiche, potrebbero essere ad esempio robot in grado di lavorare in ambienti estremi e aree colpite da disastri ambientali.

I ricercatori della Shanghai Jiao Tong University (Cina), hanno pubblicato uno studio su Applied Physics Letters in cui dimostrano come la micro-struttura delle ali delle cicale può custodire il segreto per produrre superfici antiriflesso che, applicate alle celle solari, le renderebbero sempre più efficienti. La superficie delle ali di cicala è formata da schiere ordinate di coni microscopici (dell’ordine dei milionesimi di millimetro) con la punta rivolta verso l’esterno. Gli scienziati hanno riprodotto in laboratorio questa struttura con il biossido di titanio, uno dei materiali semiconduttori più promettenti. Sono state realizzate superfici antiriflesso che riescono a trattenere la luce visibile che arriva con una lunghezza d’onda compresa fra 450 e 750 nanometri formando diversi angoli di incidenza. Queste strutture antiriflesso riescono a mantenere la loro morfologia anche se esposte a temperature elevate, pari a 500 gradi.  Per questo motivo i ricercatori hanno visto qui un “enorme potenziale per i dispositivi fotovoltaici come le celle solari” per il futuro. Il loro lavoro di osservazione e studio, anche in questo caso scaturito a partire da un fenomeno naturale, potrà ispirare e motivare gli ingegneri nello sviluppo di superfici antiriflesso con strutture uniche per le più disparate applicazioni.

 

Fonti:

http://rsbl.royalsocietypublishing.org/content/roybiolett/10/12/20140701.full.pdf

https://www.architetturaecosostenibile.it/green-life/curiosita-ecosostenibili/architettura-animali-072/

https://impariamodallanatura.wordpress.com/

https://www.focus.it/ambiente/animali/il-respiro-delle-termiti

http://www.mickpearce.com/Eastgate.htm

https://www.focus.it/ambiente/animali/i-gechi-mantengono-la-presa-anche-da-morti

https://www.focus.it/ambiente/animali/perche-gli-scarafaggi-sono-cosi-difficili-da-schiacciare

 

http://bit.ly/2T7tgok

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