I ricercatori dell’Università di Tel Aviv aprono la porta alle integrazioni sensoriali tra robot e insetti, utilizzando le antenne delle locuste.
Nel campo della robotica avanzata, uno dei limiti più evidenti riguarda la capacità delle macchine di percepire il mondo con la stessa sensibilità degli organismi viventi. I sensori elettronici, per quanto sofisticati, restano lontani dalle prestazioni degli organi biologici: l’olfatto di un insetto, l’udito di un piccolo animale o la sensibilità tattile di alcune specie superano di ordini di grandezza ciò che oggi è possibile ottenere con microfoni, camere o sensori chimici.
Questa distanza non è solo tecnologica, ma evolutiva. Gli insetti, in particolare, hanno perfezionato i loro sistemi sensoriali per centinaia di milioni di anni, sviluppando organi estremamente efficienti, miniaturizzati e a bassissimo consumo energetico. La robotica, invece, si trova a dover compensare con algoritmi complessi e hardware costoso ciò che la natura realizza con una semplicità apparente.
Negli ultimi anni, però, un nuovo approccio sta emergendo: invece di imitare la biologia, integrarla. La robotica bioibrida si basa proprio su questo principio: utilizzare organi sensoriali reali, mantenuti in vita artificialmente, come componenti di sistemi robotici. Non si tratta di fantascienza, ma di una linea di ricerca concreta che sta dimostrando risultati sorprendenti.
Tra gli organismi più promettenti in questo ambito c’è la locusta del deserto, un insetto noto per la sua capacità di formare sciami devastanti, ma anche per possedere sensi estremamente sviluppati. Le sue antenne sono tra i migliori “nasi” del mondo animale, mentre l’organo timpanico è un rilevatore acustico naturale, sensibile e robusto.
Su queste basi nasce un progetto che unisce ingegneria, neuroscienze e zoologia: creare robot capaci di percepire suoni e odori attraverso organi biologici estratti da una locusta e mantenuti attivi tramite tecnologie microfluidiche.
Un approccio radicale che apre scenari completamente nuovi per la robotica autonoma, la sicurezza, la diagnostica e il monitoraggio ambientale.
Su questa linea di ricerca, il team dell’Università di Tel Aviv ha scelto la locusta come organismo modello, con l’obiettivo di trasferire le sue capacità sensoriali ai sistemi robotici: le antenne per l’olfatto e l’organo timpanico per l’udito.
Parallelamente allo studio dell’udito, i ricercatori hanno trovato un modo per mantenere in vita artificialmente l’antenna della locusta e hanno sviluppato un metodo per trasmettere al robot i segnali olfattivi che essa rileva.
Secondo gli scienziati, la sensibilità dei sensori biologici potrebbe in futuro affiancare, e in alcuni contesti superare, quella dei cani da fiuto o dei sensori ottici ad alta risoluzione.
Il senso dell’udito
Il primo risultato concreto di questa linea di ricerca riguarda l’udito. L’obiettivo era sostituire un microfono elettronico con l’organo timpanico di una locusta, collegandolo a un robot in grado di interpretarne i segnali. L’apparato uditivo dell’insetto, una volta isolato, è stato mantenuto attivo grazie a un dispositivo microfluidico, un Ear‑on‑a‑Chip, progettato per fornire ossigeno e nutrienti al tessuto biologico e, allo stesso tempo, permettere la raccolta dei segnali elettrici generati dal timpano.
( A ) La membrana timpanica dell’orecchio di locusta che viene estratto dall’animale per essere inserito sul robot
( B ) La risposta dell’Ear-Bot al suono.
Durante l’esperimento, quando l’Ear-Bot identifica un suono (clap forward) va avanti; quando l’Ear-Bot identifica due suoni sequenziali (claps backwards), si sposta all’indietro
Una volta stabilizzata la funzionalità dell’organo, il passo successivo è stato collegarlo a un robot mobile programmato per reagire ai segnali acustici. Il risultato è stato sorprendente: quando viene prodotto un singolo battito di mani, l’orecchio della locusta rileva la vibrazione e il robot avanza; con due battiti consecutivi, il robot si muove all’indietro. Questo semplice comportamento dimostra un concetto molto più profondo: un organo biologico può essere integrato in un sistema robotico e utilizzato come sensore primario, con prestazioni superiori a quelle dei dispositivi elettronici. L’orecchio della locusta, infatti, è estremamente sensibile, richiede pochissima energia e funziona in modo naturale come trasduttore biologico.
( B ). Timpano di locusta isolato con un nervo uditivo intatto (freccia nera). Barra della scala 0,1 cm
( C ) Un chip microfluidico collegato a un elettrodo di aspirazione progettato su misura. Barra della scala 2 cm
( D ) Organo uditivo della locusta all’interno di uno speciale chip
( E) Schema dei collegamenti elettrici dell’Ear-Chip.
Lo studio interdisciplinare è stato condotto da Idan Fishel, sotto la supervisione congiunta del Dr. Ben M. Maoz (The Iby and Aladar Fleischman Faculty of Engineering e Sagol School of Neuroscience), del Prof. Yossi Yovel e del Prof. Amir Ayali (School of Zoology e Sagol School of Neuroscience), con la collaborazione del Dr. Anton Sheinin, Yoni Amit e Neta Shavil. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Sensors.
“Abbiamo scelto il senso dell’udito perché può essere facilmente paragonato alle tecnologie esistenti, in contrasto con l’olfatto, dove la sfida è molto maggiore”, spiega il dott. Maoz. “Il nostro compito era sostituire il microfono elettronico del robot con l’apparato uditivo di un insetto morto, utilizzare la capacità dell’orecchio di rilevare i segnali elettrici dall’ambiente — in questo caso le vibrazioni dell’aria — e, tramite un chip speciale, convertire l’input dell’insetto in quello del robot.”
Il dott. Maoz sottolinea anche il ruolo dei diversi gruppi coinvolti: “Il laboratorio di Ayali ha una vasta esperienza di lavoro con le locuste e ha sviluppato le capacità per isolare e caratterizzare l’orecchio. Il laboratorio di Yovel ha costruito il robot e sviluppato il codice che gli consente di rispondere ai segnali elettrici uditivi. Il mio laboratorio ha sviluppato l’Ear‑on‑a‑Chip, che mantiene attivo l’organo durante l’esperimento fornendo ossigeno e nutrimento, e permette allo stesso tempo di prelevare, amplificare e trasmettere i segnali elettrici al robot.”
Il vantaggio dei sistemi biologici rispetto ai sensori artificiali è evidente: consumano energia trascurabile, sono miniaturizzati e possiedono una sensibilità affinata da milioni di anni di evoluzione. Per fare un confronto, un computer portatile consuma circa 100 watt all’ora, mentre il cervello umano ne utilizza circa 20 in un’intera giornata.
“La natura è molto più avanzata di noi, quindi dovremmo usarla”, conclude Maoz. “Il principio che abbiamo dimostrato può essere applicato ad altri sensi, come l’olfatto, la vista e il tatto. Alcuni animali hanno capacità straordinarie nel rilevare esplosivi o droghe; un robot dotato di un naso biologico potrebbe salvare vite e identificare sostanze pericolose in modi oggi impossibili. Altri animali sanno individuare malattie o percepire terremoti. Il cielo è il limite.”
Il senso dell’olfatto
Dopo aver dimostrato che un robot può “sentire” attraverso l’organo timpanico di una locusta, il gruppo di ricerca ha esteso l’approccio al senso dell’olfatto, affrontando una sfida ancora più complessa. Le antenne delle locuste sono tra i sistemi olfattivi più sensibili del mondo animale: contengono recettori capaci di distinguere concentrazioni minime di composti chimici e di generare segnali elettrici immediatamente interpretabili dal sistema nervoso dell’insetto. Riprodurre artificialmente una sensibilità di questo livello è estremamente difficile; per questo motivo, i ricercatori hanno scelto di utilizzare direttamente l’antenna biologica come sensore primario.
Il primo passo è stato isolare l’antenna e mantenerla in vita al di fuori dell’organismo, garantendo un flusso costante di nutrienti e ossigeno attraverso un sistema microfluidico simile a quello sviluppato per l’orecchio. Una volta stabilizzata la funzionalità del tessuto, l’antenna è stata collegata a un circuito elettronico in grado di registrare le variazioni di potenziale generate dai recettori olfattivi quando esposti a diverse sostanze chimiche. Questi segnali sono stati poi inviati a un robot dotato di un algoritmo di apprendimento automatico, addestrato a riconoscere le firme elettriche associate ai vari odori.
Il risultato è stato sorprendente: il sistema bioibrido ha dimostrato una sensibilità fino a 10.000 volte superiore rispetto ai sensori elettronici comunemente utilizzati. L’antenna della locusta è stata in grado di distinguere odori come geranio, limone, marzapane e persino diverse tipologie di whisky scozzese, con una precisione impossibile da ottenere con dispositivi artificiali della stessa categoria.
Lo studio è stato guidato dalla dottoranda Neta Shvil della Sagol School of Neuroscience, insieme al Dr. Ben Maoz, al Prof. Yossi Yovel e al Prof. Amir Ayali. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Biosensors and Bioelectronics.
I ricercatori sottolineano come la distanza tra tecnologia e biologia sia particolarmente evidente proprio nell’olfatto. “Le tecnologie create dall’uomo non possono ancora competere con milioni di anni di evoluzione. Un’area in cui siamo particolarmente indietro rispetto al mondo animale è quella della percezione degli odori. Un esempio di ciò lo si può trovare all’aeroporto: passiamo attraverso un magnetometro che costa milioni di dollari per rilevare se stiamo trasportando dispositivi metallici, ma quando vogliamo controllare se un passeggero contrabbanda droga utilizziamo i cani”, spiegano il Dr. Maoz e il Prof. Ayali.
Il Prof. Yovel descrive così il processo sperimentale: “Abbiamo collegato il sensore biologico e gli abbiamo lasciato annusare diversi odori mentre misuravamo l’attività elettrica che ogni odore induceva. Il sistema ci ha permesso di rilevare ogni odore a livello dell’insetto organo sensoriale primario”.
La seconda fase ha previsto la creazione di una vera e propria libreria di odori: “Abbiamo utilizzato l’apprendimento automatico per creare una ‘biblioteca’ di odori. Nello studio, siamo stati in grado di caratterizzare 8 odori, alcuni sono geranio, limone e marzapane, in un modo che ci ha permesso di sapere quando veniva presentato l’odore di limone o di marzapane. Infatti, dopo la fine dell’esperimento, abbiamo continuato a identificare altri odori diversi e insoliti, come vari tipi di whisky scozzese. Un confronto con strumenti di misurazione standard ha mostrato che la sensibilità del naso dell’insetto nel nostro sistema è circa 10.000 volte superiore rispetto ai dispositivi attualmente in uso”.
Il Dr. Maoz ribadisce il potenziale di questo approccio: “La natura è molto più avanti di noi, quindi dovremmo usarla. Il principio che abbiamo dimostrato può essere utilizzato e applicato ad altri sensi, come la vista e il tatto. Per esempio, alcuni animali hanno capacità sorprendenti nell’individuare esplosivi o droghe; la creazione di un robot con sensori bioibridi ci aiuterà a preservare le nostre vite e a identificare i criminali in un modo che oggi non è possibile. Alcuni animali sanno individuare le malattie. Altri sono in grado di percepire i terremoti. Potrebbero aiutarci in maniera incredibile.”
La fase successiva del progetto prevede l’integrazione di un sistema di navigazione che consenta al robot di individuare la sorgente dell’odore e di determinarne l’identità. Questo aprirebbe la strada a robot in grado di localizzare perdite chimiche, individuare sostanze pericolose, riconoscere marcatori biologici di malattie o operare in scenari di ricerca e soccorso dove l’olfatto umano o artificiale non è sufficiente.
