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AMBIENTE
LA PROGETTAZIONE BIO - ISPIRATA
06/11/2020

Gaetano Cascini - Professore Ordinario, Dip. di Meccanica, Politecnico di Milano


In ambito ingegneristico si prende ispirazione dalla Natura per riprodurre proprietà o funzioni tali da superare i limiti dei sistemi tecnici attuali, talvolta dando origine a prodotti del tutto innovativi

Si può trovare un nesso fra le mangrovie e gli impianti di dissalazione dell’acqua marina? È possibile prendere ispirazione da un riccio per inventare un sistema di assorbimento urti?

Di fatto, la Natura è stata fonte di ispirazione per gli umani fin dall’antichità ed il ricorso alla sua imitazione, nota come Biomimetica, per l’ideazione di soluzioni tecniche non fa eccezione, se si pensa che i primi tentativi di produrre per imitazione seta sintetica risalgono a oltre tremila anni fa in Cina.

1Nell’immaginario collettivo, è comune associare all’imitazione della Natura il tentativo di replicare comportamenti di piante e animali impossibili per gli umani, come arrampicarsi su un muro al pari di un geco o il volo degli uccelli che tanto attirò l’attenzione di Leonardo da Vinci.

Oggi tuttavia la progettazione bio-ispirata prende una valenza più ampia, non solo per ottenere quello che gli umani spontaneamente non riescono a fare, ma anche per lo sviluppo di soluzioni ai problemi quotidiani più sicure, più affidabili e più sostenibili. Da dove deriva tale convinzione? Dalla considerazione che la vita sulla Terra esiste da miliardi di anni e gli organismi viventi che sono arrivati ai giorni d’oggi sono il risultato della selezione naturale in condizioni ambientali talvolta estreme, con un impiego ottimizzato delle risorse ed un mirabile livello di integrazione e sinergia fra i diversi sistemi.

Figura 1. Lo spremiagrumi Juicy Salif disegnato da Philippe Starck (fonte Alessi).


In cosa si può concretizzare una ispirazione di origine naturale? Per un designer di prodotto come Philippe Starck può essere lo spunto per la creazione di una forma che combini originalità estetica ed essenzialità del modo di svolgere una funzione (Figura 1).

In ambito ingegneristico, più tipicamente si prende ispirazione dalla Natura per riprodurre proprietà o funzioni tali da superare i limiti dei sistemi tecnici attuali, talvolta dando origine a prodotti del tutto innovativi. È il caso ben noto del velcro, concepito negli anni Quaranta dall’ing. George de Mestral ispirato dai fiori di bardana che restavano impigliati al pelo del suo cane, oltre che al suo maglione, e che richiedevano un lungo lavoro per liberarsene.


Figura 2. Le zampe dei gechi fonte di ispirazione per sistemi di collegamento temporaneo fra elementi meccanici


Se l’ideazione del velcro è stata il frutto di un’intuizione occasionale ispirata dalla natura, oggi la progettazione bio-ispirata e la biomimetica sono oggetto di studio, di ricerca e di insegnamento. Diversi sono gli approcci metodologici. Alcuni privilegiano il ricorso a team di lavoro multi-disciplinari con il coinvolgimento nelle attività di progetto di ingegneri, designer e biologi. Altri si basano sulla sistematizzazione delle conoscenze di origine biologica in database concepiti e strutturati per l’impiego in ambito tecnico. Un esempio che ben rende l’idea è il database sviluppato e promosso dal Biomimicry Institute. Liberamente accessibile sul sito AskNature.org, offre la possibilità di navigare liberamente fra le meraviglie della Natura o fare scelte mirate per ricercare strategie usate dagli organismi viventi per svolgere determinate funzioni o prodotti che da tali strategie hanno preso ispirazione.

E così, cercando ad esempio strategie naturali per il collegamento temporaneo di oggetti, ci si trova di fronte ad oltre 50 possibili fonti di ispirazione tra cui le remore, pesci della famiglia degli echeneidiformi che per muoversi col minimo dispendio di energie si attaccano ai grossi nuotatori marini mediante una speciale pinna dotata di lamelle mobili munite di minuscole spine. Oppure si può prendere ispirazione dalle zampe dei gechi, che già hanno offerto spunto per la realizzazione di un omonimo nastro adesivo dalle prestazioni elevate anche a fronte di molteplici operazioni di applicazione e distacco.



Figura 3. Le spine del riccio sono state la fonte di ispirazione del sistema di assorbimento urti tutelato dal brevetto US 10,458,504.


Al Politecnico di Milano, le basi della biomimetica vengono introdotte a tutti gli studenti che seguono l’indirizzo progettazione della Laurea magistrale in Ingegneria meccanica e molti allievi meccanici decidono di approfondire lo studio di questa affascinante materia nella tesi di laurea o anche nel dottorato di ricerca. È così che sono nate diverse invenzioni, alcune oggetto di brevettazione, come il sistema di assorbimento urti ispirato dalle spine dei ricci, animali pressoché ciechi e propensi alla caduta di fronte ad improvvisi dislivelli. Le spine dei ricci, in virtù della loro particolare geometria interna, a fronte di un carico improvviso sulle punte, si deformano dissipando al tempo stesso grandi quantità di energia e preservando pertanto gli organi vitali dell’animale. Il medesimo comportamento è stato riprodotto dai ricercatori del Politecnico sostituendo alle spine del riccio degli elementi filiformi in materiale superelastico che garantisce altrettanta dissipazione di energia a fronte di costi ridotti e facilità di industrializzazione.

In ambito completamente diverso si colloca il distillatore solare ideato da Alessandro Bianciardi che di recente ha conseguito il titolo di Dottore di Ricerca in Ingegneria Meccanica presso il Politecnco di Milano ed ha fondato l’azienda Planet. Prendendo ispirazione dal modo in cui le mangrovie riescono a crescere e svilupparsi in ambiente marino, il desalinatore passivo denominato Mangrove Still separa acqua e sale sfruttando l’energia solare. Milioni di persone nel mondo vivono in zone semiaride in prossimità di aree costiere; un sistema a basso costo e senza consumo di energia in grado di ridurre il tenore di sale nell’acqua di mare fino a renderla idonea per l’irrigazione dei campi ha un potenziale enorme per combattere la fame nel mondo e  i processi di desertificazione. Il dispositivo, già finalista nel 2016 della Global Biomimicry Design Challenge è oggi alla terza generazione ed in corso di sviluppo in un impianto pilota sull’isola di Tino in Grecia.