Nel fiorente campo della biomimetica, in cui ingegneri, ricercatori e architetti guardano al mondo biologico per trovare risposte a problemi di progettazione comuni, il 2014 si è svolto come un anno ricco di innovazioni in robotica, tecnologia verde e medicina. Scienziati e ingegneri hanno riconosciuto ufficialmente il valore dell'applicazione di tratti selezionati in modo evolutivo a difficili sfide di progettazione e hanno sviluppato un vasto numero di nuove tecnologie ispirate agli organismi viventi. Dai polpi robotici alle celle solari a occhio di falena, la biomimetica ha plasmato il modo in cui sono state affrontate le sfide ingegneristiche, annunciando grandi promesse per il futuro della tecnologia.
Cercare l'ispirazione per il design nella natura non era un concetto nuovo. Durante il Rinascimento italiano, l'inventore Leonardo da Vinci studiò una varietà di animali volanti nel suo tentativo di creare una macchina per il volo a propulsione umana. Ispirandosi alle ali membranose dei pipistrelli e ai loro movimenti unici, Leonardo ha modellato le ali del suo "ornitottero" utilizzando una cornice di pino rivestita di seta fine; le ali si contorsero mentre sbattevano. Sebbene il congegno non volasse mai, il progetto di Leonardo era chiaramente un tentativo di imitare le imprese della natura che osservava così acutamente. Allo stesso modo, l'ingegnere svizzero George de Mestral trovò ispirazione nel 1941 nelle tenaci sbavature che si conficcavano nella sua giacca da caccia e nel mantello del suo cane. L'efficiente meccanismo di aggancio delle frese alla fine ha portato alla sua creazione del sistema di fissaggio a strappo noto come Velcro.
La biomimetica moderna è resa possibile dall'evoluzione, il meccanismo attraverso il quale la natura seleziona e testa innumerevoli prototipi per trovare adattamenti adeguati per una data popolazione di organismi. Le pressioni selettive mettono ogni variazione alla prova finale: la sopravvivenza. Se un tratto non consente a un organismo di competere, sfruttare le risorse e riprodursi, viene eliminato dalla popolazione. Con questo in mente, la biologa Janine Benyus ha coniato il termine biomimeticanel 1997 per l'idea che gli esseri umani possano e debbano prendere in prestito i progetti testati forniti dal mondo naturale. La biomimetica consente a ingegneri e ricercatori di sfruttare i successi dell'evoluzione e di applicarli per soddisfare le esigenze dell'ambiente umano. Invece di tentare di risolvere le sfide del design da zero, gli scienziati possono cercare idee nei risultati collaudati della natura.
Biomimetismo in medicina.
La biomimetica ha consentito diversi sviluppi affascinanti nel campo medico. I ricercatori dell'Università del Texas ad Austin hanno esaminato il meccanismo uditivo della mosca parassita Ormia ochracea per sviluppare un minuscolo apparecchio acustico ipersensibile nel 2014. Dotato di orecchie specializzate, O. ochracea è in grado di seguire i suoni dei cinguettii dei grilli per affinare individui da parassitare. Negli esseri umani i suoni arrivano a un orecchio leggermente prima di arrivare all'altro, consentendo al cervello di discernere la direzione da cui provengono i suoni. Le orecchie delle mosche sono così piccole e così vicine tra loro, tuttavia, che i suoni arrivano a entrambe le orecchie quasi nello stesso momento. Per compensare, i timpani di O. ochraceasono collegati da una struttura simile ad un'altalena, che amplifica le piccole differenze nei tempi di arrivo dei suoni e permette così all'insetto di localizzare con precisione la sua preda. I ricercatori hanno copiato quel meccanismo di oscillazione per creare un minuscolo dispositivo che potrebbe essere utilizzato nella prossima generazione di apparecchi acustici o per creare microfoni adattivi che si concentrano su suoni o conversazioni particolari.
I parassiti sono stati anche l'ispirazione per nuovi microaghi chirurgici utilizzati per attaccare gli innesti cutanei. Simile alla testa del Pomphorhynchus laevis , un verme intestinale parassita, le punte di quei minuscoli aghi si gonfiano a contatto con l'acqua. Questa caratteristica consente sia ai vermi che agli aghi di attaccarsi ai tessuti molli con danni minimi e di infliggere un piccolo trauma al tessuto quando si sgonfiano e si separano da esso. Gli scienziati hanno scoperto che quei microaghi erano facilmente reversibili e che fornivano un'adesione tre volte più forte rispetto ai punti chirurgici convenzionali.
La biomimetica è stata utilizzata anche per combattere l'aumento di batteri resistenti ai farmaci negli ospedali e in altre strutture mediche. Avendo osservato che gli squali sono meno vulnerabili ai cirripedi e alle alghe rispetto a molti altri organismi marini, i ricercatori hanno trovato strutture microscopiche sulla pelle degli squali che hanno inibito in modo significativo la crescita di quegli organismi e, sorprendentemente, quella dei vari batteri responsabili delle infezioni acquisite in ospedale. I ricercatori hanno copiato quelle texture per creare pelle di squalo sintetica che potrebbe essere applicata a una varietà di superfici, che vanno dai dispositivi medici alle tastiere dei computer, per prevenire la crescita di batteri nocivi.
Biomimetismo in Robotica.
La biomimetica ha portato allo sviluppo di una serie di forme robotiche innovative. Nel 2014 un gruppo di ricercatori italiani ha avviato il processo di brevettazione di un robot flessibile multiarmato ispirato ai polpi. Tradizionalmente, i robot erano stati limitati dalle loro forme angolari e dai corpi duri, fattori che ne riducevano la funzionalità. Il polpo robotico, che era in grado di nuotare e strisciare sopra e intorno agli ostacoli, aveva un corpo morbido e presentava sei braccia flessibili con cui afferrare e manipolare gli oggetti. Per nuotare, alcune delle sue appendici flessibili fornivano spinta mentre altre fornivano stabilità. Con un ulteriore sviluppo, tali robot potrebbero essere utilizzati nell'esplorazione in acque profonde e nelle operazioni di ricerca e salvataggio.
Allo stesso modo, gli ingegneri dell'Università della Virginia stavano costruendo il "Mantabot", un robot da nuoto dal corpo morbido ispirato alle razze e alle mante. I raggi sono potenti nuotatori e sono in grado di planare per lunghe distanze per risparmiare energia. Il Mantabot, dotato di alette alette flessibili in silicone e plastica, è stato modellato da un vero raggio di cownose. Il suo nuoto efficiente imitava quello dei raggi reali e poteva essere utilizzato per raccogliere dati marini per gli scienziati o per condurre sorveglianza subacquea per i militari.
Biomimetismo nella tecnologia verde.
La tecnologia verde ha anche beneficiato dell'aumento delle applicazioni di biomimetica. Nel 2014 i ricercatori svizzeri hanno pubblicato un documento che annunciava un nuovo tipo di cella solare ispirata agli occhi delle falene da giardino. Per vedere di notte ed evitare l'attenzione dei predatori, gli occhi di falena sono altamente efficienti nell'assorbimento della luce. Utilizzando particelle di ossido di tungsteno ricoperte di ossido di ferro, gli scienziati sono stati in grado di imitare il modo in cui gli occhi delle falene assorbono quasi tutta la luce incidente e quindi creano celle solari altamente efficienti. Assorbendo la luce che le altre celle solari riflettono, quelle celle solari ispirate alle tarme avevano un grande potenziale per il progresso della tecnologia solare.
Nel tentativo di ridurre il numero significativo di uccelli uccisi da collisioni con finestre che riflettevano il cielo aperto, gli scienziati di biomimetica hanno cercato ispirazione nelle ragnatele. La seta di ragno è riflettente i raggi ultravioletti (UV) e, sebbene questa caratteristica sia quasi impercettibile per gli esseri umani e molti insetti, agisce come un efficace deterrente per gli uccelli e quindi protegge le ragnatele dalla distruzione. Gli scienziati hanno imitato questa caratteristica per creare un vetro sicuro per gli uccelli che è stato incorporato con bande di materiale riflettente UV in motivi che ricordavano le ragnatele. Con circa 100 milioni a un miliardo di uccelli che muoiono ogni anno negli Stati Uniti a causa delle collisioni con le finestre, la capacità del vetro per uccelli di ridurre drasticamente tali morti di uccelli prometteva di essere una svolta ecologica.
Data l'incredibile diversità della vita, i ricercatori di biomimetica avevano una scorta apparentemente infinita di organismi e adattamenti da cui trarre ispirazione. La biomimetica ha portato a una straordinaria raccolta di progressi tecnologici, che vanno dalle bottiglie d'acqua auto-riempite che imitavano gli scarafaggi del deserto alla vernice autopulente ispirata alle foglie di loto idrofobiche. Supponendo che l'umanità possa preservare la biodiversità che guida la biomimetica, il campo promette di continuare a generare soluzioni innovative. Osservando i tratti che l'evoluzione aveva rigorosamente testato nel corso dei millenni, la biomimetica ha permesso a ingegneri e scienziati di "imparare dai nostri anziani" e utilizzare i successi della natura per informare il design e la tecnologia.
Melissa Petruzzello
