L’esperienza di Barbara Mazzolai ci mostra come trarre ispirazione dalla genialità della Natura per creare con curiosità e determinazione la Tecnologia del futuro.
Tempo di lettura: 5 minuti
In 4 parole: Animali, piante e robot
Titolo: “La natura geniale: come e perché le piante cambieranno (e salveranno) il pianeta”
Autrice: Barbara Mazzolai
Una robotica “nuova”
“La capacità degli esseri viventi di adattarsi al mutare delle condizioni ambientali è esattamente la caratteristica che vogliamo imitare e implementare nei robot di domani.”
La parola “robot” deriva dal ceco “robota” che significa “lavoro pesante”, “lavoro duro”. Il termine fu utilizzato per la prima volta dallo scrittore Karel Čapek nella sua opera “R.U.R.” per indicare degli esseri semiumani, costruiti a partire da elementi meccanici ⚙, che si ribellano al dominio degli uomini. Diversi racconti di fantascienza – ad esempio quelli di Isaac Asimov – e in seguito numerosi film hanno contribuito ad alimentare l’immagine del robot umanoide 🤖, a volte in grado di provare emozioni, altre determinato a distruggere la razza umana. In un’accezione più generale, comunque, la robotica include qualsiasi tipo di macchina in grado di muoversi e compiere determinate azioni orientandosi nella realtà: ne sono un esempio gli aspirapolveri automatici, in grado di riconoscere ostacoli ed evitarli (in teoria), i veicoli a guida autonoma, i droni. Ma la robotica di oggi si sta dirigendo ancora oltre: la necessità di costruire macchine in grado di adattarsi e operare in ambienti e condizioni mutevoli ha spinto gli scienziati a guardare alla Natura con rinnovato interesse, dando così vita al mondo della robotica bioispirata o biomimetica.
La genialità della Natura: velocità e silenzio
“C’è sempre una logica a guidare e giustificare le scelte adattative di ogni essere vivente, anche quando appaiono molto stravaganti. La Natura ha già fatto tutto il lavoro, basta saperlo interpretare e imitare con giudizio.”
Gli esseri viventi che ci circondano oggi sono il risultato di milioni di anni di evoluzione, durante i quali qualsiasi processo è stato perfezionato e reso più efficace. Osservare con curiosità le soluzioni elaborate dalla Natura, al fine di comprenderle e replicarle, è dunque la chiave 🗝 per rispondere alle sfide sempre più complesse del futuro. Molti dei gioielli tecnologici odierni hanno avuto origine in questo modo. Ad esempio, per progettare il muso del treno Shinkansen 🚅, l’ingegnere giapponese Eiji Nakatsu si ispirò al becco del martin pescatore, in grado di bucare la superficie dell’acqua senza generare spruzzi; il muso del treno così realizzato evita il frastuono che altrimenti si creerebbe ogni volta che il treno entra in galleria, a causa dell’improvviso aumento di pressione, aumentando inoltre del 10% la velocità del mezzo e riducendone del 15% il consumo energetico. Ecco i due musi a confronto:
La strada al contrario: Madeleine
“Studiare i risultati dell’evoluzione naturale per risolvere problemi ingegneristici legati all’attività umana ci insegna innanzitutto a guardare con attenzione il mondo che ci circonda.”
L’autrice dedica una parte del libro e diversi esempi ad un aspetto che ho trovato molto interessante: realizzare modelli scientifici ispirati alla biologia non è solo un metodo per prenderne in prestito la genialità, ma anche viceversa una via per scavare più a fondo nei suoi meandri e scoprire perché l’evoluzione abbia effettuato determinate scelte. L’esempio che più mi ha colpito è quello di Madeleine, un robot ispirato alla tartaruga di mare. Madeleine, in grado di muoversi sia con due che con quattro pinne artificiali (in poliuretano) è stata ideata dal biologo John Long al fine di studiare i costi energetici della locomozione subacquea, e in particolare rispondere alla seguente domanda: perché i vertebrati come le tartarughe marine utilizzano il nuoto a due arti rispetto a quello a quattro, che era tipico degli antichi plesiosauri? I dati ricavati dai due diversi moti di Madeleine hanno mostrato che quello a quattro pinne consente maggiore accelerazione e rapidità di frenata, ma richiede il doppio dell’energia 🔥 rispetto al moto a due pinne. Dato che i vertebrati marini odierni devono percorrere lunghe distanze per procurarsi il pesce 🐟, l’evoluzione ha prediletto il risparmio energetico del nuoto a due pinne, relegando le altre due al ruolo di timone per la navigazione.
Cosa possiamo imparare dalle piante?
“Le caratteristiche principali richieste a un robot sono movimento e, spesso, velocità, capacità sensoriali, intelligenza e controllo. Tutto l’opposto di una pianta, o no?”
Abbiamo visto alcuni esempi che mostrano come il mondo animale può insegnarci parecchio sulle caratteristiche di movimento, velocità e intelligenza, ovvero le richieste principali dell’ingegneria e della robotica. Ma allora che posto c’è per le piante 🌳 in un laboratorio scientifico? è proprio qui che entra in scena la straordinaria intuizione di Barbara Mazzolai1: andando oltre le apparenze, la ricercatrice dell’Istituto Italiano di Tecnologia ha rivolto per la prima volta l’attenzione alle piante con l’obiettivo specifico di realizzare dei robot ad esse ispirati. Ad uno sguardo attento, infatti, anche le piante risultano dotate di alcune caratteristiche uniche in Natura, dalle quali possiamo trarre notevole ispirazione:
- Crescita: diversamente dagli animali, che crescono solo fino al raggiungimento della maturità, le piante crescono 🌱 per tutta la vita, in armonia con l’ambiente mutevole che le circonda.
- Adattamento: le piante possono variare la propria rigidità regolando il contenuto d’acqua 💧 nei tessuti, e adattare il proprio corpo a tutto ciò che trovano lungo il percorso.
- Connessione: le piante 🌲 sono in grado di comunicare tra loro rilasciando sostanze chimiche nell’ambiente.
- Efficienza: le piante sanno sfruttare egregiamente le risorse disponibili nel loro habitat, riducendo al minimo gli sprechi ♻.
- Forza: le cellule sulla punta delle radici si dividono, assorbono acqua e infine si allungano, permettendo alle piante di crescere verso il basso in condizioni di pressione estrema ed esercitando una lenta ma costante azione di spinta, in grado di distruggere perfino la roccia ⛰.
Un esempio della capacità delle piante di comunicare è dato dall’acacia del Sudafrica. Quando il cibo scarseggia, infatti, c’è il rischio che le antilopi sfruttino eccessivamente questa pianta. Se ciò accade l’acacia rilascia nell’aria molecole di etilene, un gas inodore che raggiunge le foglie 🌿 delle altre piante, che aumentano la produzione di tannino, una tossina che le rende meno appetibili e più difficili da digerire da parte degli affamati erbivori. Questa particolare forma di comunicazione è chiamata Rete verde e costituisce una prova del fatto che l’intelligenza delle piante non sia centralizzata, come negli esseri viventi dotati di cervello 🧠, bensì distribuita: una vera e propria intelligenza collettiva, ben diversa dalla nostra ma non per questo meno efficace.
Il plantoide
“Le piante si muovono soprattutto in risposta a stimoli, come luce, gravità, tatto e sostanze chimiche. Questi stimoli non richiedono in genere una risposta immediata ed è per questo che le piante non hanno fretta.”
Ispirandosi alle straordinarie abilità nascoste delle piante, Barbara Mazzolai e il suo gruppo di ricerca hanno sviluppato il plantoide, ovvero il primo robot in grado di crescere e modificare la propria morfologia in modo autonomo proprio come la radice di una pianta. Per riuscire in questa impresa il plantoide fa uso di una soluzione veramente geniale: un filamento di materiale viene “tirato” verso l’apice robotico, quindi viene reso morbido e adesivo da una resistenza elettrica che lo scalda, e infine viene depositato per strati successivi da una stampante 3D miniaturizzata.
Conclusione: uno sguardo al futuro
“La storia ci insegna che ciò che oggi appare un sogno, domani verrà discusso come una soluzione reale e realizzabile.”
Ampliando le potenzialità sviluppate col plantoide, l’obiettivo di Barbara Mazzolai è quello di realizzare dei robot-pianta in grado di crescere e adattarsi all’ambiente che esplorano. Tali robot bioispirati e controllati a distanza potrebbero essere utilizzati ad esempio per esplorare zone potenzialmente pericolose, siti archeologici, o il suolo di altri pianeti 🪐. Insomma, le potenzialità sono davvero illimitate, e gli ingredienti pochi e semplici: curiosità, determinazione, assenza di pregiudizi.
Note
- Barbara Mazzolai, biologa con un Dottorato di ricerca in Ingegneria dei Microsistemi, dirige il centro di Micro-Biorobotica dell’Istituto Italiano di Tecnologia e ha coordinato il progetto che ha portato alla realizzazione del Plantoide, il primo robot ispirato al mondo delle piante.
Andrea Mason 