L’imitazione della natura è al centro di un crescente interesse per progettare e realizzare soluzioni tecnologiche in grado di garantire migliori prestazioni e maggiore sostenibilità, dalla medicina alla robotica.

Imparare dalla natura è alla base della biomimetica, termine coniato nel secolo scorso per definire una precisa disciplina, ma che da millenni è alla base di numerose opere dell’ingegno umano, da Leonardo da Vinci agli scienziati e inventori dei giorni nostri.

Essa studia e imita le caratteristiche degli esseri viventi e le strategie presenti in natura per trarre ispirazione e migliorare attività e tecnologie umane, ottenendo prestazioni migliori e una maggiore sostenibilità, ambientale, sociale ed economica. Un esempio è la fotosintesi artificiale, che prende spunto dal processo naturale per produrre e stoccare energia.

Sono davvero molteplici i settori che traggono spunto dalla biomimetica: tra questi, la medicina, l’energia, l’architettura, la robotica. Proprio quest’ultima, come vedremo, trae numerosi spunti dalla natura per creare nuove soluzioni. Sono allo studio sistemi intelligenza artificiale bio-inspired per nuovi algoritmi e tecniche informatiche sempre più performanti.

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Takeaway

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Esempi di biomimetica

Il termine biomimetica lo si deve all’ingegnere, biofisico e inventore Otto Herbert Schmitt, negli anni Cinquanta, mentre svolgeva un lavoro di ricerca finalizzato a realizzare un dispositivo fisico capace di imitare l’azione elettrica di un nervo.

Secondo il Biomimicry Institute «la biomimetica impara e imita le strategie presenti in natura per risolvere le sfide della progettazione umana», soprattutto in un contesto come quello attuale, caratterizzato dalla crisi climatica e dalla necessità di ottenere approcci quanto meno impattanti e quanto più performanti possibile.

Intesa come disciplina, ha fornito e fornisce ancora all’ingegno umano spunti e motivi per progredire. Gli esempi vanno dal campo energetico (le creste sulle pinne pettorali delle megattere hanno ispirato la forma delle pale delle turbine eoliche, ricorda il Carnegie Museum of Natural History) a quello dei trasporti. A tale proposito, è esemplare il caso dello Shinkansen, uno dei treni più veloci del mondo, che deve il suo caratteristico muso allungato all’ispirazione tratta dal Eiji Nakatsu, ingegnere e direttore responsabile dei test del “treno proiettile”.

Fu lui a pensare di ispirarsi al martin pescatore per risolvere un problema che caratterizzava il veicolo: il forte rumore prodotto dall’uscita dei tunnel. Il piccolo uccello acquatico deve la sua tecnica di entrata in acqua senza produrre schizzi principalmente alla forma del suo becco. La soluzione ottenuta attraverso test e analisi, avvalendosi di un supercomputer per elaborare i dati raccolti, permise allo Shinkansen Serie 500 di ridurre la pressione dell’aria del 30% e il consumo di elettricità del 15%, generando anche un aumento della velocità del 10% rispetto alla serie precedente [Fonte: Japan for Sustainability].

Biomimetica, applicazioni nel campo dell’elettronica e della robotica

La biomimetica è al centro di numerose ricerche che hanno già, o promettono di avere, impatti significativi in numerosi settori.

Nell’ambito dell’elettronica, ad esempio, va ricordato quanto si sta facendo nello sviluppo di chip neuromorfici. Nel comparto dei MEMS, dispositivi microelettromeccanici di ampio impiego, ci si è ispirati al sistema sensoriale dei grilli per realizzare un accelerometro MEMS biomimetico [Droogendijk e al.] con prestazioni migliorative rispetto ai modelli tradizionali.

Passando dalla sfera micro a quella “nano”, si trovano altri esempi di combinazione tra elettronica e biomimetica come nel caso dei Lab-on-a-chip (LOC), dispositivi microfluidici bioispirati cui si guarda con interesse per il loro impiego finalizzato all’analisi e al trattamento dei campioni di DNA, proteine e cellule.

Ci sono poi le applicazioni nel campo della robotica che guardano con interesse alla biomimetica, sempre a partire dalla scala nanometrica. In campo biomedico, sono stati sviluppati nanorobot flessibili ispirandosi alla forma degli spermatozoi, come dimostra lo studio condotto da un team di ricercatori della Beihang University – “Artificial flexible sperm-like nanorobot based on self-assembly and its bidirectional propulsion in precessing magnetic fields” – pubblicato su Nature.

Sempre in ambito robotico, va segnalata la recente ricerca, condotta da un team dell’Università di Groningen coordinato da Elisabetta Chicca, docente di sistemi e circuiti bioispirati, focalizzata sulla volontà dicomprendere come funziona il cervello di un insetto per sviluppare computer energeticamente più efficienti.

Come illustrato in un articolo reso pubblico su Nature Communications – “Finding the gap: neuromorphic motion-vision in dense environments” – i ricercatori sono partiti dal comprendere l’incredibile capacità dei volatili di muoversi nello spazio a velocità elevate evitando collisioni, pur essendo dotati di limitate capacità intellettive.

Per conoscere il meccanismo che guida il comportamento degli insetti, il team ha sviluppato un modello della loro attività neuronale e ha predisposto un piccolo robot che utilizza questo modello per spostarsi, lavorando anche sui principi computazionali degli insetti.

Il risultato è stato incoraggiante: non solo il mini robot è riuscito a simulare la capacità di movimento degli insetti, ma il modello stesso è in grado di fornire informazioni su come gli insetti svolgono il lavoro e su come riescono a farlo in modo così efficiente. L’intenzione, ora, è di sviluppare un minuscolo chip capace di svolgere parte del lavoro di un computer in maniera più semplice e meno energivora.

I robot bioibridi

Biomimetica e robotica trovano probabilmente la loro unione ideale nella biorobotica, in particolare nei robot bioibridi. A questo riguardo, c’è una ricerca condotta da Simon R Anuszczyk e John O Dabiri, del California Institute of Technology, che si sono ispirati alle meduse e alla loro capacità di muoversi negli abissi marini per sviluppare “cyborg oceanici” in grado di aiutare a ottenere risposte su numerosi interrogativi legati al mondo sommerso. La stragrande maggioranza degli oceani è inesplorata per le oggettive complessità che pone questo ambiente.

Alla luce dell’impatto sempre crescente dei cambiamenti climatici sulla fisica e sulla biogeochimica degli oceani, è quanto mai urgente la necessità di sviluppare strumenti in grado di misurare una parte maggiore dell’oceano in tempi più rapidi.

I due scienziati della Caltech hanno dimostrato la fattibilità della stimolazione diretta del tessuto muscolare di meduse vive tramite microelettronica impiantata, mettendo a punto meduse robotiche bioibride che sfruttano il controllo elettrico esterno del nuoto, utilizzando anche un attacco meccanico stampato in 3D per snellire la forma stessa dell’animale, aumentare le prestazioni di nuoto e migliorare sensibilmente la capacità di carico utile (fino al 105% in più). 

In pratica, le meduse sono pensate come una piattaforma per sensori robotici bioibridi in grado di accedere all’intero oceano, comprese le sue regioni più profonde.

Gli autori hanno collaborato con esperti di bioetica per operare un’implementazione tecnologica responsabile. Illustrando la loro soluzione tecnologica, hanno affermato che:

«mentre molti strumenti di esplorazione robotica sono limitati dai costi, dal dispendio energetico e dalle variabili condizioni ambientali oceaniche, questa piattaforma è poco costosa, altamente efficiente e beneficia dei diffusi habitat naturali delle meduse. Le prestazioni dimostrate di questi robot bioibridi suggeriscono l’opportunità di espandere l’insieme di strumenti robotici per il monitoraggio completo dei cambiamenti dell’oceano»

Intelligenza artificiale bioispirata

La biorobotica, ma ancora di più le reti neurali artificiali e la swarm intelligence sono esempi concreti di intelligenza artificiale bioinspirata, che combina informatica e biologia per sviluppare nuovi algoritmi e tecniche informatiche basate su sistemi naturali.

Come la biomimetica si riferisce al processo di imitazione delle piante e degli animali viventi nel modo in cui risolvono problemi o affrontano compiti che li affrontano, in maniera analoga i sistemi di intelligenza artificiale percepiscono il proprio ambiente attraverso l’acquisizione, l’elaborazione e l’interpretazione dei dati. Così decidono le migliori azioni da intraprendere per raggiungere l’obiettivo dato, potendo affrontare sfide sempre più complicate. 

Un esempio lo offrono gli scienziati del Biomimetic Robotics Lab, presso il MIT di Boston. Di recente, si sono concentrati sulla possibilità di migliorare le capacità di manipolazione dinamica attraverso lo sviluppo di sensori multimodali a bassa latenza. Essi impiegano reti neurali per stimare le forze e le posizioni di contatto in base ai segnali provenienti dai sensori di pressione barometrica. Gli sviluppi futuri di questi sensori, progettati per i poggiapiedi, prevedono la loro miniaturizzazione per usarli sui polpastrelli.

Sulle potenzialità offerte dalla combinazione tra biomimetica e AI lavorano anche i ricercatori dell’Arizona State University Biomimetic Center, diretto da Ted Pavlic, professore di ingegneria industriale e informatica. Uno dei filoni attivi è lo studio della capacità di coordinamento delle colonie di formiche per gestire collettivamente situazioni rischiose, affrontare e risolvere sfide, gestire i rischi per la colonia e suddividere il lavoro in modo efficiente.

Esso può ispirare nuovi modi per gli esseri umani e il loro operare efficacemente in ambienti difficili. Pavlic e il team di ricercatori intendono sfruttare le tecniche di intelligenza artificiale per guidare decisioni e azioni.

Essi si sono concentrati, per esempio, sulla possibilità di programmare un gruppo di quadricotteri con controller ispirati agli insetti sociali, in modo che siano in grado di utilizzare gli input di una serie di sensori di bordo per consentire ai velivoli di perlustrare un ambiente dove è avvenuto un sisma o un evento pericoloso in modo efficiente.

Una volta preparati, i velivoli saranno in grado di evitare collisioni e di rilevare potenziali vittime a terra. Potranno anche collaborare per fornire acqua, cibo e medicine ai feriti e reclutare robot nelle vicinanze per aiutare con altri compiti, se necessario.

Glimpses of Futures

Considerare la biomimetica come riferimento per tecnologie ancora più performanti e sostenibili è di grande interesse per affrontare le sfide future. Dal conoscere e affrontare le sfide aperte dalla crisi climatica allo sviluppo di energia pulita, alla possibilità di promuovere condizioni di vita migliori, la combinazione tra biomimetica, ricerca e innovazione tecnologica può fornire risposte e strumenti adeguati e attenti alla sostenibilità.

Avvalendoci della matrice STEPS, proviamo ora ad anticipare scenari futuri per analizzare quali conseguenze potrebbe avere l’adozione della biomimetica nella ricerca e nello sviluppo delle soluzioni tecnologiche del futuro.

S – SOCIAL: la biomimetica può portare allo sviluppo di sistemi e strumenti più efficienti e innovativi nei settori della salute, dell’edilizia, dei trasporti e dell’energia, migliorando la qualità della vita delle persone e facilitando l’accesso a servizi e risorse essenziali. Solo nel campo della scienza dei materiali, quelli biomimetici risultano essere soluzioni alternative di interesse crescente per l’ingegneria tissutale e per la medicina rigenerativa.

T – TECHNOLOGICAL: ispirarsi alla natura è uno stimolo per la progettazione di nuove soluzioni tecnologiche. In campo medico, si stanno mettendo a punto reti neurali biomimetiche per prevedere crisi epilettiche, risultato di uno studio intitolato Biomimetic Deep Learning Networks With Applications to Epileptic Spasms and Seizure Prediction, pubblicato proprio questo mese da un team di ricerca dell’Università di Toronto. Anche in altri settori, la combinazione virtuosa tra innovazione tecnologica e biomimetica offre nuovi spunti, dal design (Autodesk e Airbus hanno progettato un componente per cabina di aereo stampato in 3D ispirato alla struttura cellulare organica e ossea degli organismi viventi) all’energia. In quest’ultimo settore, oltre alla fotosintesi artificiale per produrre e stoccare energia, va ricordata la fusione nucleare, che si basa sul meccanismo energetico del sole e delle stelle. Tale fonte energetica è considerata la fonte rinnovabile e pulita del futuro, cui già oggi stanno lavorando migliaia di scienziati e di tecnici in tutto il mondo.

E – ECONOMIC: l’interesse generato dall’applicazione della biomimetica è crescente Research and Markets prevede che il mercato globale specifico raddoppierà nel giro di cinque anni, passando da 26,3 miliardi di dollari del 2022 a 53,6 miliardi nel 2027. Il solo mercato mondiale dei robot biomimetici non medici raggiungerà i 3 miliardi di dollari entro la fine del 2026, prevede Persistence Market Research.

P – POLITICAL: la biomimetica si ispira alla natura per progettare soluzioni e tecnologie che siano più efficienti e sostenibili. In politica, ciò si traduce in politiche incentrate sulla conservazione dell’ambiente e sull’adozione di pratiche sostenibili nei settori dell’energia, dei trasporti, dell’edilizia. Su queste finalità è stato concepito il Green Deal europeo, che intende proteggere la biodiversità e gli ecosistemi (a tale proposito è stata approvata la Nature Restoration Law), ridurre le emissioni – puntando all’obiettivo Net Zero emission al 2050 – favorendo la transizione energetica e promuovendo il passaggio all’economia circolare.

S – SUSTAINABILITY: l’impiego della biomimetica può svolgere un ruolo cruciale nel supportare gli sforzi per raggiungere gli obiettivi di sviluppo sostenibile. È possibile prendere spunto da modelli naturali per sviluppare strategie di adattamento ai mutamenti (climatici, innanzitutto), ma anche per generare strumenti e soluzioni in grado di avere un impatto minimo o addirittura nullo. Si può pensare, per esempio, alle nature based solution, capaci di aiutare a ridurre il rischio idrogeologico o a realizzare quartieri o città sostenibili. Oppure si possono considerare i sensori flessibili biomimetici, biosensori avanzati caratterizzati dalla elevata sensibilità, selettività, stabilità e affidabilità per ottenere il rilevamento in ambienti naturali e fisiologici complessi.