Progettare con la biomimetica

La biomimetica, definita anche bionica, biomimetica, bioispirazione o design bioispirato, può essere definita come l’attuazione di principi di progettazione derivati dalla biologia. Questi principi possono essere applicati, letteralmente, con un approccio biomorfico, oppure possono essere applicati a un approccio più orientato ai sistemi. Attualmente, l’applicazione di microstrutture sulla superficie dei materiali è una delle strategie più utilizzate per far acquisire loro nuove proprietà.

di Sara Gonizzi

I materiali biomimetici simulano le migliori soluzioni presenti in natura ed utilizzano le sue strutture o forme a beneficio degli esseri umani. La biomimetica si propone di imparare come la natura sia stata in grado di generare soluzioni, consentendo agli esseri viventi di adattarsi al loro ambiente.

La biomimetica è una branca di studio che utilizza i sistemi biologici come modello per sviluppare sistemi sintetici. Come disse Einstein, “Ogni cosa che puoi immaginare, la natura l’ha già creata”. L’applicazione dei meccanismi di funzionamento degli organismi viventi alle creazioni umane consente di migliorare soluzioni che riescono non solo a limitare l’impatto ambientale ma anche di migliorarne prestazioni e adattabilità. Questo tipo di studio e analisi delle soluzioni adottate in natura per ottimizzare e migliorare i funzionamenti e strutture cellulari degli organismi così come i sistemi di organizzazione e di adattamento evolutivo tipici degli habitat naturali si è sviluppato, soprattutto negli ultimi anni, grazie a linguaggi di programmazione e codificazione, modellazione e stampa. È questo il campo in cui si muove la biomimetica, una scienza relativamente giovane che esprime il nesso fra biologia e tecnologia, dove la prima rappresenta il modello primordiale a cui tendere e la seconda il mezzo con cui riprodurne il funzionamento in materiali e strutture.

Per imparare dalla natura, una delle questioni fondamentali è la comprensione dei sistemi naturali come gli animali, gli insetti, le piante e gli esseri umani, ecc.

Il ruolo della modellazione 3D

La caratterizzazione e la rappresentazione geometrica dei sistemi naturali è un lavoro fondamentale per la ricerca biomimetica. La modellazione 3D svolge un ruolo basilare nella caratterizzazione e rappresentazione geometrica, soprattutto nella visualizzazione grafica al computer. La biomimetica è vista come un percorso che parte dalla biologia e arriva all’ingegneria. L’unico percorso dall’ingegneria alla biologia attualmente in uso è l’applicazione di concetti e modelli ingegneristici applicati ai sistemi biologici. Tuttavia, esiste un altro percorso: la verifica dei meccanismi biologici attraverso la fabbricazione, che porta a un processo iterativo tra biologia e ingegneria in cui la nuova comprensione che l’implementazione ingegneristica di un sistema biologico può apportare viene reintrodotta nella biologia, consentendo una comprensione più completa e certa e la possibilità di ulteriori rivelazioni da applicare all’ingegneria. Si tratta di un percorso ancora non formalizzato.

La diversità delle caratteristiche degli elementi della natura ci fornisce una fonte inesauribile di risorse per produrre materiali con proprietà affascinanti la cui efficacia è stata dimostrata. Per decenni, i ricercatori di tutte le branche della scienza hanno avuto l’obiettivo di replicare il comportamento offerto da alcuni materiali provenienti dalla natura per la loro potenziale applicabilità in edilizia, estetica, sicurezza e medicina, tra gli altri campi.

I nuovi materiali

I tre tipi di superfici, che comprendono le super idrofobiche, le super oleofobiche e le super idrofile, consentono di dotare i materiali di proprietà quali bassa adesione, bagnatura anisotropa, antiriflesso, adesione direzionale, antivegetativa, fotocatalisi, auto sterilizzazione e anti-appannamento, tra le altre. Lo sviluppo di queste superfici si è basato sulla comprensione delle strutture delle superfici che molti esseri viventi presentano, come il guscio di una lumaca, la pelle di uno squalo o le ali di una cicala. Tutte hanno caratteristiche che potrebbero essere molto utili in determinati materiali. Un modo per realizzare queste strutture in diversi tipi di materiali è l’uso della tecnologia laser.

Alcuni esempi di strategia naturali che possono essere utili per il campo ingegneristico e per la produzione di nuovi materiali sono:

• Superficie del guscio di lumaca

La superficie del guscio di una lumaca presenta proprietà autopulenti. Il guscio della lumaca è costituito da un composto di aragonite e proteine e la superficie superiore del guscio è ricoperta da uno strato di proteine ed ha una struttura ruvida costituita da scanalature lineari con un passo di 0,5 mm e 0,1 mm. Di conseguenza, è stato rivelato che la chiave della proprietà autopulente del guscio di lumaca è la sua super idro fobicità; in altre parole, la superficie è appena umida. Ispirandosi al guscio della lumaca, sono stati costruiti materiali biomimetici come piastrelle di ceramica e accessori sanitari come quelli per bagni, cucine e gabinetti.

• Superficie a pelle di squalo

La pelle di squalo è un tipico modello di superficie autopulente e a bassa aderenza. Contiene squame individuali molto piccole, simili a denti, chiamate denticoli dermici, che sono coperti da rivetti di dimensioni speciali e spaziati orientati parallelamente alla direzione di nuoto. Quando gli squali nuotano velocemente, durante un flusso turbolento, si formano vortici sulla superficie, che causano un’elevata sollecitazione di taglio su tutta la superficie. I rivetti sollevano i vortici ad alta velocità dalla superficie, esponendo solo le punte dei rivetti alle elevate sollecitazioni di taglio. Di conseguenza, la resistenza aerodinamica diminuisce e lo squalo può nuotare in modo rapido ed efficiente nell’acqua in un regime di flusso turbolento. Le superfici artificiali della pelle di squalo sono state sviluppate per applicazioni quali costumi da bagno, scafi di navi, aerei e componenti di turbine eoliche.

• Superficie dell’ala di cicala

Le superfici esterne degli insetti hanno attirato l’attenzione per le loro varie funzioni intelligenti, come la proprietà autopulente delle ali delle cicale. Le ali della cicala sono costituite da nano pilastri esagonali la cui separazione varia da 110 a 140 nm. L’altezza della struttura a pilastri dall’alto verso il basso varia da 225 a 250 nm. Grazie alla matrice su scala nanometrica e al rivestimento ceroso dei pilastri, le ali di cicala mostrano una super idro fobicità. Pertanto, i contaminanti sulla superficie vengono facilmente rimossi con l’acqua in modo simile a quello di una foglia di loto. Una delle sue principali applicazioni è lo sviluppo di superfici antibatteriche, poiché impediscono lo sviluppo di batteri sulla superficie. Questo tipo di superficie è ampiamente utilizzato nelle apparecchiature mediche e chirurgiche e negli imballaggi.

Le strategie di progettazione dei materiali biologici

Più astratta è la derivazione, più ci si affida al riconoscimento dei modelli nei dati piuttosto che alle forme degli oggetti fisici. L’astrazione semplifica il trasferimento della tecnologia, enfatizzando i principi base da utilizzare, rendendo la tecnologia più potente e pervasiva: potente perché introduce le tecniche dei sistemi biologici in modo più adattivo; pervasiva perché questo modo adattivo rende più facile fondere l’approccio biologico con l’ingegneria convenzionale.

Le strategie di progettazione dei materiali biologici non sono immediatamente applicabili alla progettazione di nuovi materiali ingegneristici, poiché esistono alcune differenze notevoli tra le strategie comuni in ingegneria e quelle utilizzate dalla natura.

La bioispirazione non è solo una conseguenza dell’osservazione di strutture presenti in natura. Il motivo è che la natura presenta una moltitudine di condizioni al contorno che non si riesce a conoscere a priori e che potrebbero essere tutte importanti per lo sviluppo della struttura osservata. Pertanto, è necessario essere in grado di risolvere un particolare insieme di problemi. Sia la struttura biologica che l’insieme dei problemi che la struttura è progettata per risolvere possono bioispirare come, ad esempio, un’ampia gamma di materiali con funzioni diverse e che possono servire come fonte di bioispirazione per lo scienziato dei materiali.

Un’analisi approfondita delle relazioni struttura-funzione nei tessuti naturali deve precedere la progettazione di nuovi materiali bio-ispirati. Esistono infatti molte opportunità per trarre lezioni dal mondo biologico: sulla crescita e sull’adattamento funzionale, sulla strutturazione gerarchica, sulla riparazione dei danni e sull’auto-guarigione. La ricerca sui materiali biomimetici sta diventando un campo in rapida crescita ed estremamente promettente. La scoperta dall’osservazione della natura sarà gradualmente sostituita da un approccio sistematico che prevede lo studio dei tessuti naturali nei laboratori di materiali, l’applicazione dei principi dell’ingegneria all’ulteriore sviluppo di idee bio-ispirate e la generazione di banche dati specifiche.

La ricerca e i campi di applicazione della biomimetica

Uno dei principali guru della biomimetica è la statunitense Janine Benyus, fondatrice del Biomimicry 3.8 Institute di Missoula, nel Montana, un’organizzazione dedicata alla formazione e alla divulgazione del sapere biomimetico. Alcuni punti salienti di questa azienda sono:

1. Le ragnatele rappresentano la capacità della natura di scoraggiare le collisioni.
2. Le ricette chimiche della natura possono aiutarci a progettare schiume e plastiche sostenibili.
3. E gli ecosistemi nativi dell’Australia possono mostrarci come costruire una fabbrica che funzioni come una foresta.

Un altro campo in cui la biomimetica viene utilizzata e per cui la ricerca è in continuo movimento è il design. Un esempio è Neri Oxman, designer israeliana e professoressa al MIT Media Lab che ha sviluppato per esempio tessuti organici che si adattano alla forma del corpo ed anche alla sua composizione fisiologica, realizzati, come la maggior parte dei suoi lavori, con una stampante 3D che sfrutta l’innovativa tecnologia di Stratasys a triplo getto. Questa stessa stampante è stata usata dalla designer per creare ‘Gemini’, una chaise longue che presenta una forma a guscio particolare ed è composta da 44 materiali con diverse proprietà che riproducono i punti sensoriali del corpo umano, creando un habitat che rimanda al ventre materno. Questi materiali “non solo indirizzano sul corpo specifici punti di pressione così da creare un paesaggio sensoriale, ma agiscono anche come una camera anecoica insonorizzata, come una struttura architettonica volta a calmare la mente”. Il prodotto per cui Neri Oxman è conosciuta a livello globale è la collezione “Wanderers: An Astrobiological Exploration”. Si tratta di 4 prodotti da indossare nello spazio che sono stati creati tramite la biologia di sintesi. Incorporano tasche e apparati che possono ospitare materiali biologici e che creano dei microhabitat che consentirebbero all’uomo di adattarsi a un ambiente diverso da quello terrestre.

Il campo forse più noto di applicazione delle leggi e soluzioni naturali nella vita dell’uomo è l’architettura. Uno degli esempi più noti è l’Eastgate Building, un centro polifunzionale realizzato dall’architetto sudafricano Mick Pearce in collaborazione con lo studio ingegneristico Arup ad Harare, capitale dello Zimbabwe. L’architetto si è ispirato al funzionamento dei termitai, strutture piuttosto complesse fatte di cumuli di terra composte da una serie di canali scavati nel sottosuolo al fine di mantenerne l’interno a una temperatura fresca, costante e ventilata, indispensabile per farvi crescere il fungo di cui si nutrono. Pearce ha riprodotto questo sistema nell’edificio tramite la progettazione di una serie di camini laterali e di un tunnel centrale che consentono di ventilare in modo naturale gli ambienti evitando l’utilizzo di impianti di climatizzazione.

Le soluzioni tecnologiche che si stanno a mano a mano realizzando sono molteplici e fantasiose ma sicuramente interessati e utili per migliorare la vita e produrre oggetti a basso impatto ambientale.

Cecilia Laschi, Professore Ordinario di Bioingegneria Industriale della Scuola superiore Sant’Anna di Pisa, è considerata una delle pioniere della soft robotics che è nata dall’osservazione dei polpi: sono sinuosi, il loro corpo si deforma e si adatta a spazi piccoli, i tentacoli si allungano o si accorciano in base alle necessità, possono essere utilizzati per afferrare, camminare, nuotare.

Il gruppo di lavoro coordinato dalla professoressa Laschi ha creato un vero e proprio polpo robotico, che imita la nuotata e la camminata di questo straordinario animale. Questo robot può avere diverse applicazioni, da compiti sui fondali marini, dove è in grado di spostarsi agevolmente, anche sulle barriere coralline, oppure in medicina, dove ha trovato applicazione come endoscopio, per la sua capacità di muoversi e compiere operazioni all’interno del corpo umano.

Le piante hanno per esempio ispirato la creazione di robot che si muovono sottoterra per il monitoraggio ambientale. I ricercatori del gruppo di Bioinspired Soft Robotics coordinati da Barbara Mazzolai, responsabile del centro di microbio robotica IIT (l’Istituto Italiano di Tecnologia) a Pontedera, hanno copiato la radice della pianta studiando come essa si muove nel sottosuolo che è estremamente complesso a causa delle pressioni e attriti elevati già dai primi centimetri di profondità.

Grazie allo studio del comportamento delle radici, sono state create delle radici robot che crescono, uno strato dopo l’altro, evitando gli ostacoli che incontrano. Le applicazioni sono molteplici:

• applicazioni ambientali come il monitoraggio del suolo, la ricerca dell’acqua o dei metalli pesanti inquinanti.
• applicazioni mediche: gli endoscopi del futuro potrebbero essere flessibili e, proprio perché imitano il movimento della radice, non creare danni ai tessuti biologici.

Un’altra invenzione innovativa è quella legata alla colla biomimetica ispirata ai molluschi come le cozze. Si sa, infatti, che la colla, anche la più resistente, sott’acqua non funziona. Studiando le cozze, si è scoperto che esse, per tenersi legate agli scogli usano il bisso, un fascio coriaceo di filamenti proteici. La ricerca è stata presentata su Nature Communication, è stata condotta dai ricercatori dell’Istituto di nanotecnologia del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-Nanotec) di Rende (Cs), in collaborazione con i ricercatori dell’Università della Calabria e con il gruppo di ricerca di Ali Miserez della Nanyang Technological University di Singapore.

Lo studio ha analizzato l’adesione che le proteine delle cozze riescono a generare tra due superfici completamente immerse in acqua rivelando che la cozza inizialmente produce una proteina che rimuove le molecole d’acqua e successivamente si lega fortemente al substrato. Su questo primo strato superficiale di proteine viene progressivamente costruito un complesso tessuto proteico in cui ogni proteina svolge una funzione specifica (protezione dall’ambiente esterno, resistenza alle sollecitazioni meccaniche, ecc.).

Questo studio può essere la base per la creazione di adesivi sintetici biomimetici, biocompatibili e biodegradabili ispirati a molecole biologiche. La produzione industriale di una colla di questo tipo potrà permette di creare adesivi eco-compatibili che, impermeabili all’acqua, possono legare sia materiali creati dall’uomo, per esempio vetro, plastica, metallo, sia materiali organici quali ossa, denti, pelle e altri organi biologici. Inoltre, molte delle proteine sintetizzate dai molluschi, conosciute fino a oggi, sono polimeri, che hanno come caratteristiche principali la non-tossicità, la bassa immunogenicità, proprietà antinfiammatoria e antiossidante.

Gli strumenti di Biomimetica assistita da computer (CAB) hanno lo scopo di supportare l’integrazione delle conoscenze biologiche rilevanti nei processi di risoluzione dei problemi biomimetici. Le fasi specifiche dei processi biomimetici che richiedono un supporto includono l’identificazione, la selezione e l’astrazione delle analogie biologiche rilevanti. Gli strumenti CAB esistenti di solito cercano di supportare queste fasi descrivendo i sistemi biologici in termini di funzioni, anche se le funzioni di ingegneria non si adattano in modo naturale alle funzioni biologiche. Di conseguenza, la visione statica e funzionale che ne risulta fornisce una comprensione incompleta dei processi biologici, che sono dinamici, ciclici e auto-organizzati.

Metodologie e trasferimento della conoscenza

In biomimetica, le discrepanze tra il concetto di design in biologia e in tecnologia possono portare a interpretazioni errate dell’origine delle strutture e delle funzioni biologiche. Comprendere le caratteristiche che i vari componenti hanno come sistema significa astrarre le informazioni rilevanti. Esiste una pluralità di metodi biomimetici volti a favorire la comprensione e il trasferimento delle conoscenze dalla biologia all’ingegneria. Rappresentazioni ricche e multimodali dei sistemi biologici, a diversi livelli di astrazione, aiutano a evitare l’eccessiva semplificazione durante l’analisi. Queste rappresentazioni dovrebbero catturare le funzioni e i loro meccanismi, da un lato, e le disponibilità e i vincoli, dall’altro. Le rappresentazioni dei sistemi biologici sono fondamentali per il trasferimento di conoscenze in biomimetica. Per supportare il trasferimento del processo biologico, vari sono i modelli, tra di essi uno è composto da Cambiamenti di Stato, Azioni, Parti, Fenomeni, Input, Organi ed Effetti (SAPPhIRE). Questo modello rappresenta la causalità nei sistemi naturali e tecnici a diversi livelli di astrazione.  Se l’analogia tecnica non può essere ricavata dal sistema biologico, si consiglia di riconsiderare il livello di astrazione. Se si ritiene che il livello di astrazione sia adeguato, si dovrebbe riconsiderare l’obiettivo presunto dello studio biomimetico. La creazione di rappresentazioni multiple e multimodali a diversi livelli di astrazione è un modo per razionalizzare l’aspetto e sviluppare la comprensione. Il processo di progettazione e di sviluppo della comprensione progettuale è stato definito “cognizione distribuita”. Invece di prescrivere un unico modello, la biomimetica potrebbe trarre vantaggio dall’uso di una varietà di rappresentazioni astratte che sono essenziali per guidare il processo di pensiero. In altre parole, i metodi di modellazione esistenti, come il modello funzionale, i modelli Struttura-Comportamento-Funzione (SBF), i modelli SAPPhIRE essere utilizzati uno accanto all’altro per illuminare diversi aspetti di un sistema biologico. In un confronto tra una varietà di metodi di modellizzazione, comunque, tutti i metodi hanno dimostrato di avere determinati vantaggi e, sebbene esistano differenze, qualsiasi metodo di modellizzazione può essere efficace e aiutare a generare concetti finali. Inoltre, la rappresentazione di un sistema biologico a diversi livelli di astrazione è generalmente ritenuta vantaggiosa.