Dragonfly, da insetto a cyborg

Dalla Natura non si smette mai di imparare. Non parlo solo della ricerca e dello studio conoscitivo, bensì delle applicazioni utili che, ispirate al mondo animale e vegetale, migliorano la vita dell’uomo. Sto parlando della Biomimetica, ve la ricordate? (https://www.imperialbulldog.com/author/marianna-savarese/page/2/).

Nuovi progetti ingegneristici stanno perfezionando idee proposte già una ventina di anni fa e lo stanno facendo con l’aiuto di un incredibile insetto, la libellula. Si tratta di barche ibride alimentate da pannelli solari ed energia eolica, il futuro del settore nautico. Di barche equipaggiate con i classici pannelli solari ne esistevano già quando il dott. Robert Dane ebbe l’idea di abbinarvi i vantaggi dell’eolico e realizzare, nel 1997, il primo prototipo di barca dal design rivoluzionario e decisamente inconsueto. La Marjorie K, con le originali Solarsails, vinse l’Advanced Boat Race di Canberra, presentandosi al mondo ingegneristico come innovazione tecnologica. La chiave di volta, ovviamente, sono state queste vele solari simili ad ali che, montate su ogni tipo di imbarcazione, utilizzano dei pannelli solari di nuova generazione per sfruttare il sole, ma possono anche essere fisicamente mosse dal vento per catturare la migliore fonte di energia disponibile in ogni momento. La tecnologia brevettata di SolarSailor, oltre a sfruttare ben due fonti energetiche rinnovabili, si va ad aggiungere ad un sistema di propulsione marina ibrida (HMP) che combina l’elettrico ai carburanti alternativi, in modo da ridurre drasticamente consumi ed emissioni delle navi oceaniche. La compagnia australiana della SolarSailor è ormai il guru della navigazione solare-eolica, con applicazioni nella difesa, nel trasporto oil & gas e nel settore della ricerca scientifica.

SolarSails – © asknature.org

Tra gli ultimi progetti spicca una nave cargo lunga 400 metri e larga 30, con enormi vele rigide a supporto dei tradizionali motori a propulsione, in grado di abbattere i costi di navigazione di oltre il 50%. Per chi non fosse direttamente coinvolto nel commercio marittimo (i miei lettori), interesserà l’altro dato, ovvero quello ecologico che traduce i “costi ridotti” in “minore impatto ambientale” proprio grazie al contenuto impiego di carburante ed energia. Ora vi starete chiedendo perché la libellula ha ispirato questa nuova e promettente tecnologia. Ce lo racconta stesso il dott. Dane che afferma di aver avuto l’illuminazione mentre leggeva in aereo: “Il mio libro stava spiegando che il novanta per cento delle specie su questa terra sono insetti e, inoltre, che il novanta percento degli insetti volano. Ero affascinato dall’apprendere che gli insetti inizialmente hanno evoluto le ali come collettori solari e solo dopo le hanno usate per volare. […] Quindi perché non montare le ali sulle barche come collettori solari e poi usarle per navigare?”. L’esaptazione delle ali degli insetti, quindi, ha condotto Dane sulla giusta strada, ma c’è molto di più poiché un successivo e più attento studio ha portato la sua azienda, la SolarSailor, a soffermarsi in particolare sul volo delle libellule di cui ha copiato le dinamiche per sfruttare anche l’energia eolica. Questi insetti, una volta riscaldati i muscoli del volo per prepararsi al decollo, sfruttano un doppio movimento delle due paia di ali, estremamente lunghe e flessibili, per manipolare l’aria che le circonda ed ottenere notevole manovrabilità e precisione nel volo. La richiesta di queste tecnologie è sempre più crescente, tanto che secondo Robert Dane tra cinquant’anni le persone guarderanno le navi del ventesimo secolo e si chiederanno “dove sono le ali?”.

E se ora vi dicessi che le libellule hanno molto di più da offrire? Basta pensare che esistono da oltre 300 milioni di anni e che in questo lasso di tempo sono cambiate pochissimo (i ritrovamenti fossili evidenziano somiglianze straordinarie con le attuali). L’indiscusso successo del loro modello evolutivo ha portato questo ordine di insetti, gli Odonati, a sopravvivere a tre delle cinque estinzioni di massa e, addirittura, ad una successiva diversificazione in 6000 specie conosciute. Oggi le libellule sono presenti quasi in tutto il mondo, ad eccezione dell’Antartide e di alcune isole dell’Artide, grazie alla loro incredibile capacità di adattamento. Le principali caratteristiche di questi insetti diurni, tutti predatori, sono il lungo addome segmentato, le due paia di ali con fitte venature in rilievo, grossi occhi compositi e due antenne molto ridotte. È ai loro record biologici, però, che gli ingegneri si sono ispirati, e continuano ad ispirarsi tutt’ora, per trovare nuove soluzioni tecnologiche e design funzionali.

Ali di Libellula

Ali primitive per un volo perfetto.
Le quattro sottili ali delle libellule sono composte da una membrana chitinosa le cui increspature impediscono che si pieghino, conferendo maggiore portanza al volo planato. Il primitivo, ma efficacissimo, funzionamento della muscolatura differisce da quello di qualsiasi altro insetto volante, così come la posizione di riposo delle ali che non aderiscono mai al corpo dell’insetto. Le due paia di ali non si muovono in sincrono, se non in rari momenti quali il decollo, permettendo a questi incredibili piloti di effettuare repentini cambi di direzione (persino nel volo laterale e all’indietro) e velocità, fino a raggiungere i 50Km orari in alcune specie. Queste manovre di volo delle libellule sono state renderizzate al computer dalla Sikorsky, il principale produttore mondiale di elicotteri, che ha così realizzato il progetto di uno dei suoi modelli per il trasporto di personale ed artiglieria.
Ulteriori ricerche sono state condotte sulla composizione di queste ali chitinose per poterne riprodurre dei modelli artificiali con le medesime proprietà elastiche ed utilizzarle sui nuovi biomimetic micro air vehicles (BMAVs). La micro- e nano-topografia multi-scala delle superfici alari delle libellule, inoltre, unita alle proprietà fisiche delle molecole d’acqua, dona loro una caratteristica idrorepellente, autopulente chiamata Effetto Loto. Questo avviene perché l’aria intrappolata nei piccolissimi spazi di una superficie ruvida (ala) riduce il contatto tra l’acqua e la superficie stessa, generando piccole sfere che, rotolando via, inglobano le particelle solide di sporco. Sono tantissime le finiture micro e nano superficiali ispirate a queste superfici biologiche autopulenti, le cui applicazioni spaziano dalle vernici al vetro, dai tessuti agli smalti.

Infine, l’ingegnere aerospaziale Abel Vargas ha studiato a lungo questi insetti prima di poter progettare i robot-libellula, microvelivoli elettrici dotati di telecamere, o altri dispositivi, talmente piccoli da entrare nel palmo di una mano. Le applicazioni di questi piccoli e leggerissimi robot (soli 120 grammi) sono molteplici e vanno dal rilevamento dati in luoghi pericolosi o non accessibili, al controllo dei livelli di inquinamento in ambito ecologico. 

Occhi (super)compositi come perfetti rilevatori di movimento
Gli occhi degli insetti, si sa, non hanno una grande risoluzione, in compenso sono in grado di percepire il movimento come nessun altro animale. Le libellule, in particolare, hanno gli occhi di gran lunga più grandi ed efficienti di tutti gli altri insetti conosciuti. Ogni loro occhio composito è in media formato da 30.000 occhi semplici, gli ommatidi, ed ha una frequenza di flicker-fusion che gli permette di vedere 300 immagini al secondo (sei volte più veloce della nostra). Questo parametro consiste nella capacità di distinguere immagini statiche separate prima che si fondano a creare l’illusione del movimento continuo. In pratica una libellula riuscirebbe a vedere un film per quello che è veramente, ovvero una sequenza di immagini statiche consecutive. Capacità molto appetibili, e attualmente studiate, per applicazioni in diversi settori, dalla robotica alla meccanica ed anche alla cibernetica. Un team di ricercatori australiani ha sviluppato un sistema di intelligenza artificiale che riproduce la vista delle libellule con lo scopo di aiutare i non vedenti a migliorare almeno la percezione del movimento. Per far questo sono a lavoro per realizzare occhi bionici in grado di imitare il campo visivo a 360 gradi e la flicker-fusion delle libellule (Dragonfly Vision). Tra le ultime scoperte di Steven Wiederman, neuroscienziato dell’Università di Adelaide (Australia), vi è la prova che gli Odonati anche al buio sono in grado di distinguere le forme in movimento, ovvero le prede. Imitando un simile sistema di visione notturna si riuscirebbe a dare la vista a robot che devono lavorare in condizioni di scarsa luminosità, per esempio sotto terra o nelle profondità oceaniche. Per il momento tutte queste invenzioni sono in fase progettuale, più o meno avanzata, con una previsione di realizzazione più vicina riguardante le tecnologie automatizzate per robot e auto senza conducente.

dragonfleye project © Draper

Nel 2017, invece, si è andati ancora oltre, con un progetto che ha letteralmente dell’incredibile: una libellula cyborg. I ricercatori della Charles Stark Draper Laboratory e degli Howard Hughes Medical Institute hanno presentato DragonflEye, una vera libellula, viva, con indosso una tecnologia minuscola e poco invasiva in grado di controllarla. Vi starete giustamente chiedendo come è possibile. Ebbene, l’insetto è stato modificato geneticamente, mediante l’inserimento di neuroni di controllo nel cordone spinale che reagiscono agli impulsi luminosi trasmessi al cervello con un apposito telecomando. Sul dorso è inoltre presente una sorta di zainetto elettronico munito di sensori e pannello solare che alimenta l’impianto di controllo e la raccolta dati. Una tecnologia straordinaria, e anche un po’ inquietante, che spiana la strada a future applicazioni anche su specie più complesse. Non staremo forse esagerando? Restiamo alle imitazioni poiché l’originale, ormai l’avrete capito tutti, è già perfetto così com’è.

Per approfondire:

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