Si torna alle origini, alla natura, un meccanismo perfetto da cui trarre ispirazione e imitare per vivere meglio. Questa è la logica da cui nasce la biomimetica, un approccio rivoluzionario e decisamente affascinante nel campo della scienza e della tecnologia, che prende spunto dalle dinamiche delle piante e degli animali per applicare gli stessi processi anche nel campo umano. Insomma l’uomo ricerca la perfezione “copiando” la natura.
Le origini
La biomimetica come principio fu utilizzata per la prima volta da Leonardo da Vinci che, volendo costruire delle macchine volanti, si ispirò al volo degli uccelli.
Ma il termine “bionimicry” è nato nel 1974 dalla statunitense Janine Benyus che fondò un’organizzazione dedicata alla formazione e promozione di questa innovativa materia che trasferiva il processo biologico dal mondo naturale a quello artificiale, “mimando” i meccanismi che governano la natura, al fine di risolvere alcuni problemi della vita umana.
Fu poi l’architetto e botanico Joseph Paxton, a metà del XIX secolo, a progettare nel 1851 il Crystal Palace di Londra, un edificio monumentale in vetro realizzato con tecniche talmente innovative e forme dalle concezioni rivoluzionarie ispirate alle serre, che gettò le basi dell’architettura moderna. Purtroppo una testimonianza che abbiamo perduto a causa di un incendio che, nel 1936, distrusse completamente il palazzo. La facciata principale, con particolarissime nervature radiali, si ispirava appunto a quelle delle foglie di una ninfea, la Victoria amazzonica, perché lo stesso Paxton riteneva che proprio le piante fossero i migliori modelli di ingegneria a cui ispirarsi.
Dalle piante e dagli animali nuovi modelli di sviluppo
La biomimetica, nota anche come biomimesi, è dunque una disciplina che trae ispirazione dalla natura per migliorare le tecnologie e le attività umane. Il velcro è un esempio classico di applicazione di biomimetica. La sua invenzione fu ispirata dalla natura nel 1941 dall'ingegnere svizzero George de Mestral, durante una passeggiata con il suo cane nelle Alpi svizzere. Notando come i frutti del cardo si attaccavano tenacemente al pelo del suo animale e ai suoi vestiti, de Mestral esaminò questi frutti al microscopio e osservò che avevano dei minuscoli ganci che si agganciavano a loop o fibre morbide. Da questa osservazione, de Mestral ideò il concetto del velcro, un sistema di chiusura composto da due parti: una parte ad "uncino" (simile ai ganci dei frutti del cardo) e una parte ad "anello" (simile ai tessuti a cui i frutti si attaccavano). Dopo diversi anni di sperimentazione e sviluppo, riuscì a brevettare il velcro nel 1955 che poi fu utilizzato in diversi campi, dalla moda ai dispositivi medici.
Il campo di osservazione più gettonato in natura è stato però il volo degli uccelli.
Quanti di noi sono stati ammaliati e affascinati nel vedere come uno storno anche di numerosi esemplari viaggi all’unisono, roteando e componendo meravigliose coreografie senza mai toccarsi in un viaggio che è pura poesia.
Dopo Leonardo, molti scienziati si sono soffermati a studiare il fenomeno, analizzando la forma delle ali, la struttura leggera ma robusta dei volatili e le loro tecniche di volo efficiente che hanno influenzato la progettazione di aerei sempre più efficienti dal punto di vista energetico, con una ridotta resistenza aerodinamica e un miglior controllo. Anche i droni si sono evoluti seguendo principi simili, imitando la manovrabilità e l'agilità degli uccelli. Il design delle ali ha ispirato anche lo sviluppo di pale di turbine eoliche, studiandone la forma e la meccanica per consentire di catturare meglio il vento, riducendo il rumore e aumentando l'efficienza energetica.
L'aerodinamica degli uccelli ha ispirato il design di automobili e treni ad alta velocità. Il treno giapponese Shinkansen (foto), ad esempio, ha adottato un design ispirato al becco del martin pescatore per ridurre il rumore prodotto quando il treno emerge da un tunnel.
Lo studio delle piume che respingono l'acqua o regolano la temperatura ha portato allo sviluppo di tessuti e materiali ad alte prestazioni per abbigliamento sportivo e attrezzature all'aperto, che imitano queste proprietà per offrire comfort, impermeabilità o traspirabilità migliore.
Non solo il volo è stata fonte di ispirazione. Per la nascita di sonar e radar gli scienziati hanno studiato l’apparato di geolocalizzazione dei pipistrelli. Studiando come questi mammiferi volanti emettono ultrasuoni per orientarsi, sono nate tecnologie simili per la navigazione e la rilevazione di oggetti.
Tralasciando il mondo animale, anche le piante offrono una vasta gamma di ispirazioni per la biomimetica, con applicazioni che vanno dall'ingegneria alla medicina.
Osservando come alcune piante cambiano colore in risposta a vari fattori ambientali, si sono creati materiali “intelligenti “che cambiano colore o proprietà in risposta a stimoli esterni, come la luce, la temperatura o la pressione. Questi materiali trovano impiego in diversi ambiti, tra cui sensori ambientali e display intelligenti. Le foglie di loto hanno una superficie che respinge l'acqua e le sostanze inquinanti, un fenomeno noto come appunto effetto loto. Questo principio è stato adottato per sviluppare rivestimenti auto-pulenti per vetri, tessuti e anche pannelli solari, migliorando l'efficienza e riducendo i costi di manutenzione.
Alcuni cactus del deserto hanno la capacità di raccogliere l'acqua dalla nebbia e dalla rugiada, grazie alla loro struttura superficiale unica e grazie a questo esempio di sopravvivenza naturale si sono inventate tecnologie di raccolta dell'acqua in aree aride, migliorando l'accesso all'acqua potabile in regioni con scarse risorse idriche. Sebbene non sia una pianta, il monticolo delle termiti, spesso situato in mezzo alla vegetazione, ha ispirato la progettazione di edifici più efficienti dal punto di vista energetico, che utilizzano principi naturali di ventilazione e termoregolazione.
Tutto questo è fonte di grande meraviglia e stupore per chi, come gran parte di noi, non conosceva la fonte di ispirazione di tanti materiali o tecnologie di uso comune. Così come molti non sanno che gli adesivi chirurgici biocompatibili, utilizzati per chiudere ferite o incisioni senza l’uso di punti di sutura, riducendo il rischio di infezioni e migliorando il processo di guarigione, sono stati brevettati osservando le cozze, che si attaccano saldamente alle superfici marine grazie a un adesivo naturale molto potente.
Anche gli aghi ipodermici che causano meno dolore e sono più efficienti nel somministrare farmaci prendono spunto dal regno animale e più precisamente dalle zanne dei serpenti a sonagli, progettate per iniettare veleno in modo efficace.
Sempre in medicina, il legno di balsa, noto per la sua leggerezza e resistenza, ha ispirato lo sviluppo di materiali per impianti ossei. Questi materiali cercano di imitare la struttura cellulare del legno per offrire supporto leggero ma robusto, migliorando l'integrazione dell'impianto con il tessuto osseo umano. Dai virus, che non sono piante, ma parassiti intracellulari che vivono e si riproducono all’interno di cellule viventi, si è preso spunto per creare nanoparticelle per il trasporto mirato di farmaci, in particolare per il trattamento del cancro.
Sfide e opportunità della Biomimetica nella sostenibilità ambientale
È evidente quindi che la biomimetica è una scienza dalle grandi potenzialità, destinata a cambiare molti aspetti della nostra vita. Ma, come tutte le scienze o tecnologie innovative, presenta sfide sia tecniche che etiche. Come possiamo replicare efficacemente i complessi sistemi naturali? E come ci assicuriamo che questa imitazione non danneggi l'ambiente? Le risposte a queste domande aprono porte a nuove opportunità di ricerca e sviluppo sostenibile.
Vediamo finora come è stata utilizzata la biomimetica ispirandosi alla natura per la natura.
Ancora una volta l’ispirazione arriva dalle foglie e al meraviglioso processo di fotosintesi come esempio di efficienza energetica. I ricercatori sono riusciti a progettare nuovi tipi di celle solari organiche, che, imitando la capacità delle foglie di catturare l'energia solare, sono più leggere, più flessibili e potenzialmente più economiche rispetto alle tradizionali celle solari in silicio?
E dal geco? Questo meraviglioso e simpatico animaletto che spesso si vede aggrappato alle pareti delle case di campagna o camminare sull’acqua con movenze quasi miracolose è stato la fonte di osservazione per la nascita di materiali super-idrofobici, utili per la raccolta e la purificazione dell'acqua. Materiali che possono aiutare a raccogliere l'acqua dalle nebbie o dalle piogge in regioni dove quest’importante risorsa scarseggia, offrendo una soluzione sostenibile e a basso costo per la gestione idrica. Sempre dal geco è derivato il Gecko Tape, un materiale fortemente adesivo in fase di sviluppo che permetterebbe a persone o cose di camminare su superfici lisce o verticali in qualsiasi direzione.
(photo credits: Peter Law da Pixabay)
Le termiti sono conosciute invece per costruire complessi monticoli che mantengono un'atmosfera interna costante nonostante le fluttuazioni esterne di temperatura. Un principio adottato per progettare edifici più sostenibili, che utilizzano flussi d'aria naturali per la ventilazione e la termoregolazione, riducendo la dipendenza da sistemi di riscaldamento e raffreddamento artificiali.
E non dimentichiamo il gufo, il cui volo silenzioso ha aiutato a trovare soluzioni antirumore. Come? Attraverso lo studio della struttura delle ali sono state create pale di turbine eoliche e fanali di aerei più silenziose. Questo non solo per ridurre l'inquinamento acustico, ma anche per aumentare l'efficienza operativa di queste macchine.
Ogni esempio dimostra come guardare alla natura non solo per ispirazione, ma come un manuale d’istruzione per soluzioni sostenibili e innovative. La biomimetica non solo risolve problemi tecnici, ma incoraggia anche un approccio più armonioso e rispettoso nei confronti dell'ambiente.
Non sempre però la natura offre soluzioni facilmente praticabili proprio perché racchiude in sé una perfezione che non è…. nella natura umana.
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