I ricci di mare nascondono un segreto evolutivo: uno scheletro leggero e resistente ispirato al modello Voronoi. Questa scoperta potrebbe rivoluzionare la progettazione di materiali innovativi, dall’aerospazio all’architettura.
V. Perricone et al., Journal of the Royal Society Interface, 19 (193), 2022
di Sara Bagherifard
I motivi poligonali sono molto comuni nelle forme e nelle strutture naturali. Questi modelli forniscono stabilità strutturale intrinseca ottimizzando, al tempo stesso, il rapporto resistenza-peso.
Analizzando l’architettura degli scheletri dei comuni ricci di mare (Paracentrotus lividus), un gruppo guidato dai ricercatori dell’Università della Campania “Luigi Vanvitelli” ha scoperto che tale struttura segue uno schema simile a quello trovato nei favi e nelle ali di libellula. È stata identificata un’evidente regolarità dell’endoscheletro, costituita da una rete microtrabecolare leggera e resistente. Analisi microstrutturali eseguite tramite microscopio elettronico a scansione hanno rivelato la presenza di un’incredibile molteplicità di strutture su scala microscopica, che variano da completamente ordinate a completamente caotiche. Sono proprio queste strutture che aiutano il riccio a conservare la sua forma di fronte agli attacchi dei predatori e agli stress ambientali.
Le caratteristiche meccaniche dello scheletro dei ricci
I tubercoli dello scheletro dei ricci, ovvero i siti in cui si attaccano le spine che resistono a forti forze meccaniche, sembrano seguire un tipo di ordine naturale chiamato “modello Voronoi”. Un modello di tassellatura Voronoi è un particolare tipo di scomposizione di uno spazio metrico che viene creato attraverso un processo matematico in grado di suddividere una regione in celle a forma di poligono costruite attorno a dei punti. Un modello Voronoi generato tramite computer ha dimostrato una corrispondenza dell’82% con il modello trovato negli scheletri dei ricci di mare. Tale schema è stato interpretato come una soluzione evolutiva vantaggiosa per la costruzione dello scheletro echinoide: utilizzando un design microstrutturale leggero, esso ottimizza la disposizione trabecolare, massimizza la resistenza organica e minimizza i costi metabolici della secrezione dello stereoma calcareo.
Le prospettive future
Ricci, libellule e api non sono gli unici beneficiari dell’architettura di Voronoi. Il team sta sviluppando una libreria di strutture bioispirate basate sul modello Voronoi che potrebbe servire per la progettazione biomimetica di materiali leggeri e resistenti. Grazie a tali ricerche potrebbero derivare nuovi e importanti sviluppi tecnologici, dal settore aerospaziale all’architettura, fino all’edilizia.
