Biomimesi, Madre Natura sale in cattedra

“L’ingegno umano mai troverà invenzione più bella, né più facile né più breve della natura, perché nelle sue invenzioni nulla manca e nulla è superfluo”. Le parole pronunciate da _Leonardo da Vinci_ oltre cinque secoli fa’ tornano ad essere quanto mai attuali, rappresentando forse il miglior sunto di un concetto che oggi acquista i contorni di una nuova scienza. Parliamo della biomimetica o biomimesi, la disciplina che studia i processi biologici naturali per cercare soluzioni sostenibili ai problemi tecnologici e progettuali dell’uomo; dopo 3,8 miliardi di anni di esistenza Madre Natura ha dato indiscutibilmente prova d’essere un sistema che funziona, sperimentando modelli e strutture e scartando dal ciclo vitale gli errori e il superfluo e ora il mondo della scienza sembra pronto a ricorrere all’immensa banca dati realizzata ed affinata dal processo evolutivo. In una società abituata a dominare o “migliorare” l’ambiente, questa rispettosa imitazione è in grado di costituire una vera e propria rivoluzione che, a differenza da quella introdotta con l’era industriale, dà vita ad un sistema basato non su ciò che possiamo estrarre dalla natura, ma su ciò che possiamo imparare da lei.

Per descrivere questa scienza esiste, in realtà, più di un termine impiegato comunemente, seppure con leggere sfumature nel significato. Era la fine degli anni 50 quando per la prima volta venne introdotta la parola “bionica” durante una riunione scientifica grazie al Dr. _Jack E. Steele_ dell’Air Force statunitense, per intendere “l’uso di prototipi biologici per la progettazione di sistemi di sintesi artificiali”. In un linguaggio più semplice: studiare i principi fondamentali in natura applicando quest’ultimi a bisogni dell’uomo. Bisogna aspettare il 1969 perché l’inventore americano _Otto H. Schmitt_ coniasse “biomimetic” (dal greco βίο μίμηση) estendendo il concetto dal mondo della biologia a quello dell’ingegneria e della fisica ed altri 28 anni affinché _Janine Benyus_ iniziasse a parlare di biomimicry o biomimesi come “l’innovazione che si ispira alla natura”. Anche a fronte di termini creati di recente, non si può certo parlare di un approccio radicalmente nuovo; lo stesso genio di Leonardo ha dato prova di ciò alla fine del 1400 con le sue macchine volanti ispirate all’anatomia degli uccelli o, senza tornare così indietro nel tempo, a metà 800 l’architetto inglese _Joseph Paxton_ si ispirò alla struttura di una foglia di ninfea replicando nella progettazione del celebre Crystal Palace quel disegno geometrico a coste flessibili capace di rendere la pianta resistente a grandi pesi. Ma quello che ora la biologa statunitense si propone di fare è dare il via ad una vera e propria rivoluzione in cui il patrimonio di flora e fauna sia inquadrato attraverso una triplice lettura: Model, Measure, and Mentor, ossia modello, misura e mentore.

Apparsa tra gli eroi ambientali del Times, Benyus è divenuta promotrice di un pensiero che sta facendo scuola negli ambienti progettuali ed è la fondatrice di un’organizzazione no-profit, il “Biomimicry Institute”:https://biomimicryinstitute.org/, che da 5 anni lavora per lo sviluppo di programmi educativi in questo contesto, sostenendo la creazione di politiche pubbliche ed incoraggiando le imprese che traggono profitto dalla biomimesi a fornire un sostegno finanziario per la biodiversità. All’attività dell’Istituto si unisce “AskNature.org”:https://asknature.org/ la prima banca dati online biomimesica che offre gratuitamente un patrimonio di strategie di progettazione a cui attingere e nel contempo un luogo di incontro per quanti hanno studiato organismi e sistemi messi in atto e chi è alla ricerca di soluzioni progettuali bio-ispirate. Il sito è moderato come una comunità di tipo wiki, gestita da ‘curatori’ e con spazi dove progettisti e biologi si possono incontrare e fare network. E cosa ancor più sorprendente AskNature.org è dotato di un motore di ricerca unico nel suo genere: basta inserire la sfida progettuale a cui si sta cercando risposta e i risultati elencheranno ciò che in natura sta già svolgendo quella funzione ed una serie di fonti dove approfondire le proprie ricerche. Sulla scia dell’ente statunitense anche nel vecchio Continente nel 2006 ha preso vita un’associazione no-profit, “Biomimicry Europa”:https://www.biomimicryeuropa.org/, che mira a promuovere l’informazione in tema e a creare punti di incontro e scambio tra le varie discipline relative alla biologia, la tecnologia e l’economia.

Concretamente, di fronte a un dato problema, la metodologia Biomimicry ricerca risposte valide già fornite da esseri viventi dimostratosi efficaci sotto il profilo costo/emissioni e prive di qualsiasi tossicità. La questione dunque è quella di identificare i campioni, ossia gli organismi la cui sopravvivenza dipende la qualità della soluzione messa in gioco. Tre i livelli di interazione derivanti da:

* *Forma:* ad esempio il treno superveloce giapponese Shinkansen 500, ribattezzato il Proiettile, il cui muso è stato modellato come il becco del martin pescatore in modo da migliorare l’aerodinamicità, e di conseguenza ridurre il rumore e aumentare l’efficienza energetica.
* *Processo:* è il caso delle spicole di silice che compongono lo scheletro di alcune spugne scoperte ottime conduttrici di luce il cui principio si sta applicando a livello universitario per produrre fibre ottiche a pressione e temperatura ambiente, attraverso processi meno energivori dei tradizionali.
* *Ecosistema:* eclatante “l’ecologia industriale” di Kalundborg, città della Danimarca, dove la raffineria di petrolio, una fabbrica di pannelli in gesso, una ditta farmaceutica, l’allevamento ittico cittadino, una centrale a carbone centrale elettrica e il comune, cooperano alla mutua utilizzazione dei prodotti di scarto realizzando un perfetto ecosistema artificiale nella stessa perfetta simbiosi che avviene in natura.

Il “doing it nature’s way”, ossia il ‘fare secondo natura’ ha in sé il potenziale per cambiare l’attuale modo di produrre il nutrimento, di creare materiali e farmaci, di sfruttare l’energia e memorizzare le informazioni. E nel campo della sostenibilità di rendere raggiungibili sfide impegnative come dimostrano molti dei risultati raggiunti in questi anni, in parte anche grazie al lavoro dell’eroina ambientale.

h3{color:#7A8541;}. *Sostenibilità bio-ispirata*

*Celle fotovoltaiche tra farfalle e foglie di loto*
Gli scienziati cinesi della Shanghai Jiao Tong University hanno scoperto che replicare la struttura delle ali della farfalla Papilio Paris può migliorare l’efficienza delle celle solari dye-sensitized. Sulle ali di questa specie, infatti, le scaglie contenenti i pigmenti più scuri sono caratterizzate da una peculiare struttura a nido d’ape in grado di intrappolare la luce, rendendo più facile l’assorbimento, esattamente come avviene in un cavo a fibra ottica. Il team di ricercatori ha dunque realizzato dei fotoanodi, lo strato di materiale foattivo contenete il pigmento, sintetizzati utilizzando le stesse scaglie come trama biologica. Il risultato? Fotoanodi a triplice struttura disposti a ricomporre la forma originale delle lamelle sull’ala e più efficienti nel convertire la luce solare di un 10%. Ma tra i problemi che affliggono il fotovoltaico c’è anche una perdita di efficienza dovuta all’accumulo di sporcizia. Ecco che è nuovamente la natura a venir in aiuto e più precisamente le caratteristiche intrinseche delle foglie del fior di loto: la loro ruvidità superficiale, presente in diversi ordini di grandezza e livelli sovrapposti, crea una rete con angoli di contatto differenti che allontana velocemente l’acqua dopo averla raccolta in punti precisi. Quest’ultima, nel suo scorrere via dalla foglia, trascina con sé la sporcizia che vi si era accumulata. I ricercatori della Georgia Tech, ricreando attraverso micro e nano strutture la rugosità della superficie, hanno messo a punto un prototipo di cella autopulente “super idrofoba” dove il contatto con polvere e acqua è ridotto al minimo.

*Dallo zoo alle turbine eoliche*
E’ stato battezzato xBee non a caso. L’aerogeneratore domestico creato dalla compagnia Green Wavelength riprende direttamente la forma alare delle api per le sue pale, e cela la propria particolarità nel movimento di quest’ultime: una complessa oscillazione avanti e indietro anziché la normale rotazione attorno all’asse della turbina. Per progettisti non c’è alcun dubbio che xBee possa superare l’efficienza tipica delle turbine tradizionali, ma ad oggi rimane ancora solo un prototipo di cui la ditta fornisce ben poche spiegazioni. Ben più famoso il precursore biomimetico della WhalePower Corporation di Toronto, Canada, che con la collaborazione dei ricercatori dell’Università dell’Ontario Occidentale alcuni anni fa ha disegnato una turbina eolica con pale arrotondate lungo il margine principale, nello stesso modo in cui è conformato il dorso principale delle pinne delle balene. I canali creati dai denti sul margine della lama hanno l’effetto di accelerare la velocità del vento che vi si staglia contro, esattamente come le pinne aumentano in modo esponenziale l’efficienza aerodinamica dell’animale permettendo loro di muoversi in acqua più agevolmente rispetto ad altri cetacei dotati di pinne lisce. I vortici che si creano aumentano i moti ascensionali sulla pala e di conseguenza l’efficienza migliorando la rotazione attorno all’asse e aprendo la strada ai rotori di nuova generazione.

*Un’architettura “animalesca”*
Zimbabwe, città di Harare, metà degli anni ‘90. Qui l’architetto sudafricano Mick Pearce, assieme allo studio Arup, ha voluto creare un edificio che fosse in grado in grado di assicurare al suo interno, in maniera completamente naturale, una temperatura costante e ottimale tutto l’anno, nonostante la zona si presti ad oscillazioni esterne tra i 40 e i 10 °C. Ed è a questo punto che entrano in gioco i termitai, strutture complesse costituite da cumuli di terra in cui, però, è garantita una costanza termica attraverso i lunghi canali comunicanti con l’esterno scavati dagli stessi insetti. Così nasce il centro commerciale Eastgate Building, modello di raffrescamento passivo: due edifici posti uno di fronte all’altro e collegati da una copertura vetrata che lascia spazio alla circolazione dell’aria che viene aspirata al primo piano basso da ventilatori a basso consumo energetico e pompata in condotti verticali che attraversano le due strutture per poi espellerla all’esterno, in maniera simile a quanto accade in un termitaio. Una soluzione che si traduce in un risparmio energetico del 90%.
Per ridurre al minimo le perdite di calore domestico alla Duke University si rivolgono invece al Ratto canguro (Dipodomys merriami), piccolo roditore del deserto americano in grado di mantenere la sua temperatura corporea utilizzando un’intelligente e semplice ‘architettura nasale’. Spiega Steven Vogel, biologo alla Duke: “i piccoli uccelli e mammiferi comunemente minimizzano la perdita di calore respiratorio con scambiatori controcorrente alternati nei loro passaggi nasali. Estraggono calore dall’aria in un’espirazione per scaldare il naso e quindi lo riutilizzano per riscaldare la successiva inalazione”. Allo stesso modo Vogel pensa ad abitazioni con “nasi”, ossia duplici scambiatori di calori forniti di ventilatori in grado di operare in antifase permettendo alla casa di ‘respirare’.

*Il risparmio energetico ispirato alle seppie*
Quando alcuni scienziati del MIT di Boston hanno voluto pensare ad un nuovo tipo di schermo ad alto contrasto, basso consumo energetico e, soprattutto a basso costo, a venire in aiuto sono stati i maestri della mimetizzazione subacquea: le seppie. Nel dettaglio i ricercatori hanno studiato la capacità di questi animali di mimetizzarsi a seconda del fondale che trovano in pochissimi secondi, secernendo sostanze chimiche speciali per modificare la spaziatura tra le loro membrane e di conseguenza il loro colore. Una tecnica, per così dire, “low-energy” il cui principio è stato dunque applicato nella realizzazione di display ad inchiostro elettronico capaci di utilizzare meno dello 0,01% dell’energia richiesta tradizionalmente. Il prototipo messo a punto misura alcuni pollici e solo un micron di spessore; stipati in questo spazio ristretto ci sono 20 – 30 strati di polistirolo vetroso alternato a gel di polivinile. In assenza di energia elettrica lo schermo è chiaro, ma applicando una tensione il gel si espande e cambiando il colore a seconda del voltaggio. Unica pecca: il dispositivo agisce riflettendo la luce incidente, e ciò significa che, nonostante riesca a funzionare a tensioni bassissime, sia praticamente inutile al buio.