Loading...Biomimetica: la scienza che imita la Natura
Ne abbiamo già parlato in diversi articoli con numerosi esempi di innovazioni ispirate al mondo animale e vegetale. Oggi vorrei riproporvi questo incredibile campo di studi in continuo aggiornamento, ma vorrei farlo in chiave pratica piuttosto che divulgativa. In che senso? Fino ad ora abbiamo introdotto delle specie modello il cui attento studio ha portato alla realizzazione di grandi opere architettoniche, oggetti funzionali, tecnologie di ogni sorta e persino di modelli matematici; questa volta, invece, vorrei utilizzare l’approccio degli scienziati del settore che, partendo da un problema concreto, cercano una soluzione nel mondo naturale.
Un buon punto di partenza è restringere il campo ad organismi adatti (e adattati) ad affrontare nel miglior modo possibile una situazione similare. Ad esempio, quando l’uomo decise di conquistare i cieli, cominciò a studiare gli uccelli; quando volle esplorare le profondità oceaniche, studiò i pesci e i molluschi come il Nautilus; per ottimizzare gli spazi cominciò a imitare le cellette esagonali delle api; per rendere silenziosi i treni ad alta velocità si è ispirato ai rapaci notturni e al Martin pescatore.
La medicina, l’edilizia, la robotica e tanti altri settori sono stati ampiamente aiutati con suggerimenti naturali e l’aspetto più bello è che esistono ancora così tante possibili invenzioni (o imitazioni?) da testare… alcune sembrano fantascientifiche come la possibilità di creare superfici e tessuti completamente invisibili ispirati alle farfalle Morfo, veicoli ecologici che si spostano sfruttando vortici autoprodotti come le meduse, guanti-geco per arrampicarsi come spiderman. Se lo credete impossibile, pensate che anche le vele solari nate dal Carpino per i satelliti sembravano un’utopia, così come le tecnologie del sonar e del radar basate su cetacei e pipistrelli, quindi non siate troppo scettici.
Allora, a quale grande problema dobbiamo trovare una soluzione? Una palese urgenza, purtroppo, è quella del cambiamento climatico e, quindi, la riduzione dell’impatto ambientale causato dall’uomo. Vediamo insieme qualche idea bioispirata.
L’idrodinamica nel mondo animale
Il Pesce scatola (Ostracion sp.) è un abitante dalla buffa forma che vive negli ambienti di reef e che ha aiutato gli ingegneri automobilistici della Mercedes-Benz a progettare un veicolo maneggevole, veloce ed economico. Nonostante esistano pesci ben più idrodinamici a cui ispirarsi, la forma cubica di questo Ostracide è risultata più adatta, poiché l’ambiente della barriera corallina presenta le stesse sfide che deve affrontare un’auto cittadina: risparmio energetico, solidità e resistenza, capacità di movimento in spazi ridotti.
La particolare forma del Pesce scatola gli permette di spostarsi con basso dispendio energetico e in modo inaspettatamente agile, mentre l’ossatura rigida e le scaglie che ricoprono il suo corpo lo proteggono dagli urti; inoltre, il suo movimento ostraciforme gli permette di riposarsi sui vortici creati dal suo stesso spostamento, risparmiando energie preziose. Su questo modello è nata la Bionic Car che offre un risparmio del 20% rispetto ai veicoli equivalenti, consumando solo 4,3 litri di carburante per 100km. Se già siete rimasti colpiti, sappiate che questo risultato è solo parziale rispetto alle capacità del Pesce scatola che, quindi, è ancora molto studiato per riuscire a ridurre i consumi e gli impatti del settore dei trasporti urbani. Ancora più impressionanti sono le performance acquatiche dei pinguini che, grazie alla loro forma idrodinamica pressocché unica, sono in grado di percorrere lunghe distanze con minimi sforzi.
Volendo paragonare questo peculiare uccello ad un’auto, avremmo un mezzo in grado di percorrere 1500 km con un solo litro di carburante. A questo punto è scontata l’enorme attenzione dedicata agli studi della sua biomeccanica. Oggi sono in cantiere numerosi progetti di biciclette e mini-auto anfibie che potrebbero sorprendere chiunque.
Rimanendo sullo stesso tipo di problema, facciamo un interessante esempio di biomimetica modellistica ed in particolare dell’intelligenza collettiva delle formiche (Formicidae) utilizzata per ridurre il traffico. Questi piccoli e numerosissimi insetti (20% della biomassa animale totale, come l’uomo) utilizzano i feromoni e la numerosità della colonia per risolvere qualsiasi problema. Ad esempio, gli individui che trovano la via più breve per la colonia vi arrivano prima e, lasciando una scia di feromoni freschi sul tragitto, facilitano l’individuazione della strada migliore ad un numero sempre maggiore di formiche che ne attireranno altre. Su questo modello si basa un software in fase di sperimentazione che serve a evitare totalmente gli imbottigliamenti, semplificando la vita alle persone e, soprattutto, riducendo l’emissione di inquinanti.
Ispirate dal mare le fonti di energia più pulita
Pensando a fonti di energia più pulite, invece, dobbiamo guardare ad altre specie che, curiosamente, mi rendo conto solo ora essere tutte marine: Kelp, Balena, Tonno, Pinguino e Manta. L’alga gigante Kelp (Nereocystis luetkeana), saldamente ancorata al fondale con i suoi speciali apteri, lascia fluttuare tra le onde dell’oceano le sue lunghe lamine di 70 m per effettuare la fotosintesi. Sfruttare l’energia delle onde è cosa nota da anni, ma non pensate sia facile la manutenzione o, ancor di più, il posizionamento degli strumenti necessari; il Biowave ha permesso di semplificare ed ottimizzare la produzione di energia sottomarina con dei dispositivi galleggianti a dinamo ispirati alle “foglie” del Kelp, mentre il sistema di ancoraggio flessibile, basato sugli apteri, è risultato il più stabile in assoluto e molto meno impattante per la scarsa profondità di impianto richiesta. Questa straordinaria alga è ancora molto studiata dai progettisti dei pannelli solari marini per la sua incredibile efficienza, dovuta alla capacità di galleggiamento in una posizione costantemente verticale, nonostante le onde e le correnti.
E se oltre a catturare l’energia delle onde volessimo catturare anche quella generata dagli altri movimenti del mare? Un particolare modello di pale eoliche sottomarine è ispirato alla pinna caudale del Tonno (Thunnus sp.) per la sua capacità di recuperare energia dal movimento; fissate al fondale, queste pale oscillano grazie ai movimenti delle correnti profonde e delle maree, imbrigliandone l’energia e trasmettendola ad un generatore.
La nuova generazione di pale eoliche terrestri, invece, è stata migliorata grazie all’aiuto delle protuberanze (tubercoli) presenti sul bordo superiore delle pinne di Balena. Le eliche con i tubercoli si sono rivelate molto più efficienti, soprattutto in caso di vento debole o irregolare, ma anche molto più silenziose e, quindi, meno impattanti sulla fauna e sull’ambiente. Questa miglioria è dovuta alla riduzione di pressione e all’aumento di portata del movimento che si traducono in risparmio energetico.
Una specie ancora più efficiente è la Manta gigante (Manta birostris) che, nonostante le sue dimensioni, vanta dei movimenti così aggraziati e fluidi da sembrare un uccello in volo piuttosto che un pesce. Le sue enormi pinne, chiamate anche ali, sono in grado di ridistribuire la pressione idraulica dell’acqua su tutto il corpo, convogliando energia preziosa.
Questo speciale movimento è stato imitato e brevettato con il nome di Fin Ray Effect dallo scienziato tedesco Leif Kniese per la realizzazione di robot acquatici, ma le potenziali applicazioni sono molto più interessanti. Il designer Lukas Franciszkiewicz sta lavorando ad una centrale elettrica alimentata dall’energia delle auto che vi circolano accanto. Come? Installando delle lamelle flessibili e connesse tra loro secondo la fisionomia delle pinne della Manta, in modo da imbrigliare le correnti d’aria prodotte dal transito delle auto, moltiplicarne l’energia e trasmetterla ad un accumulatore. Questa soluzione non è poi così complessa e, se installata lungo le autostrade e le vie ferroviarie, potrebbe garantire una importante produzione di energia altrimenti persa.
Oltre ai trasporti e alla combustione, cosa emette notevoli quantità di CO2? L’industria del cemento, da sola, genera quasi il 10% dell’anidride carbonica prodotta dall’uomo, probabilmente perché questo materiale resta ancora oggi fondamentale per le opere di urbanizzazione.
Quale organismo, in Natura, crea delle strutture rigide senza rilasciare gas climalteranti? Coralli, spugne, molluschi vari sono alcuni esempi che mi vengono subito in mente, ma, pensandoci meglio, anche le nostre ossa, così come quelle di tutti i vertebrati, sono in grado di effettuare la biomineralizzazione. Ebbene, l’azienda californiana Calera ha scelto di ispirarsi ai coralli per produrre un cemento verde a partire dalla CO2. Questa rivoluzione è stata male accolta dagli altri produttori di cemento e criticata per le ridotte proprietà adesive del nuovo materiale che, infatti, è stato utilizzato per anni in mescola. Oggi sono numerose le aziende che invece producono un cemento verde sempre più performante e competitivo sul mercato; questo successo è probabilmente dovuto anche alla possibilità di effettuare accordi vantaggiosi con altre aziende produttive, dai cui fumi di scarto è possibile recuperare CO2 e calore, proprio come la perfetta simbiosi tra il corallo e la piccola alga zooxantella.
Nel prossimo articolo vedremo insieme altri modi per catturare anidride carbonica, per purificare le acque, ridurre gli sprechi ed approfondiremo l’imitazione della simbiosi e di un sistema circolare.
Per approfondire:
- https://www.imperialbulldog.com/2017/05/11/invenzioni-imitazioni-la-biomimetica-animale/
- https://www.imperialbulldog.com/2017/06/01/invenzioni-imitazioni-la-biomimetica-vegetale/
- https://www.imperialbulldog.com/2018/07/11/dragonfly-da-insetto-a-cyborg/
- https://www.imperialbulldog.com/2018/01/18/futuro-sul-sentiero-verde/
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Articolo molto interessante , scritto con chiarezza e padronanza dei contenuti. Ti saluto con affetto. Continua sempre con l’entusiasmo, che trasmetti con i tuoi articoli.
Ciao Marianna, un articolo interessante con tante idee valide e un po’ curiose. Grazie.