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Come camminare sulle acque: una breve guida robotica

Ovvero, come la natura fornisce in molti casi le soluzioni più brillanti a complessi problemi umani.

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TECNOLOGIA – Pesci con denti in grado di adattare la loro forma per rendere letale l’attacco ad una preda, o di modellare la loro pelle in modo da raddoppiare la propria velocità. Foglie delle piante che si orientano per sfruttare nel modo più efficiente possibile la luce del sole per il loro ciclo biologico. O la capacità di rifrazione della luce delle ali di alcune farfalle. Da sempre la natura è una fonte inesauribile di preziosi suggerimenti per lo sviluppo di nuove tecnologie.

Ne sanno qualcosa gli scienziati dell’Università Nazionale di Seoul e dell’Istituto Wyss di Harvard, che si occupano di ingegneria ispirata da organismi biologici, e che hanno di recente sviluppato un minuscolo insetto robotico in grado di camminare sull’acqua.
L’automa in questione è stato progettato ispirandosi, appunto, alle caratteristiche di alcuni insetti della famiglia dei Gerromorpha, i Gerridi o insetti pattinatori, molto leggeri e dotati di lunghe zampe affusolate, in grado per questi motivi di sfruttare la tensione superficiale dell’acqua per restare “sospesi” su di essa.

Si tratta di un principio fisico ben noto: le particelle all’interno di un fluido sono completamente circondate da particelle simili, e quindi restano in equilibrio. Non vale lo stesso principio per le particelle sulla superficie del liquido che, essendo soggette solo alle forze degli strati inferiori, si comportano nel loro complesso come una sorta di membrana elastica.

Gli insetti pattinatori sfruttano questa elasticità per “rimbalzare” sulla superficie senza affondare. Ecco come descrive il fenomeno il professor Kyu Jin Cho, del dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale e direttore del laboratorio di Biorobotica dell’Università di Seoul:

Per riuscire a saltare, occorre imprimere una ben determinata pressione alla superficie dell’acqua, alla giusta velocità, per un adeguato ammontare di tempo, e non oltre una certa profondità. E l’insetto pattinatore è perfettamente capace di farlo.

Un altro scienziato del team, Je-Sung Koh, aggiunge:

Utilizzando le sue zampe per esercitare pressione sull’acqua, l’insetto pattinatore sprigiona una quantità di forza massima appena al di sotto della soglia che determinerebbe la “rottura” della superficie.

Nella realizzazione del loro prototipo, i ricercatori erano inizialmente convinti di dover impiegare complessi algoritmi per raggiungere il risultato finale. È stato invece sufficiente analizzare attentamente dei video sugli insetti pattinatori per comprendere a fondo la dinamica in gioco e riprodurla poi mediante sofisticati sistemi micromeccanici.
In particolare, è stata realizzata una sorta di “mini-catapulta”, facendo uso di materiali compositi e attuatori miniaturizzati, in modo da simulare con alto livello di precisione il movimento degli insetti.

Non si tratta dell’unica realizzazione notevole in questo campo: esistono svariati esempi di applicazioni simili, frutto delle ricerche nell’ambito di una disciplina denominata biomimetica, che si occupa dell‘imitazione di modelli e sistemi naturali.
Il suo principale scopo è la risoluzione di complessi problemi umani, e le sue origini sono piuttosto datate. Basti pensare allo studio condotto da Leonardo Da Vinci per realizzare la prima macchina volante, l’ornitottero.

Il grande genio italiano comprese che la struttura corporea umana non consentiva il volo con il semplice utilizzo di “protesi” alari attaccate alle braccia (come nella leggenda di Icaro e Dedalo), e progettò un complesso sistema meccanico che consentisse di azionare delle grandi ali membranose, realizzate a imitazione di quelle del pipistrello. Pur non avendo mai avuto successo in quel particolare scopo, Leonardo fornì con i suoi studi degli spunti tecnici notevoli, che furono utilizzati secoli dopo per la realizzazione dei primi aeroplani.

Tutti i risultati più sofisticati raggiunti dalla biomimetica sembrano evidenziare un concetto di fondo assai suggestivo: per quanto l’uomo si possa sforzare di concepire metodi e sistemi sofisticati, la natura dispone in quasi tutte i campi di altrettanti “sistemi”, ossia le creature viventi, che appaiono essere “realizzate” sempre in linea con i principi della massima efficienza e della minima energia. Le soluzioni della natura ad un dato problema sono, nella maggioranza dei casi, le più semplici possibili. Non è pertanto da escludere che nuovi, sorprendenti sviluppi futuri nel campo dell’ingegneria e delle scienze verranno proprio dalla sorgente prima della nostra esistenza, ossia la natura stessa.

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Crediti immagine: The very onest man, Flickr

Gianpiero Negri
Laureato in Ingegneria Elettronica, un master CNR in meccatronica e robotica e uno in sicurezza funzionale di macchine industriali. Si occupa di ricerca, sviluppo e innovazione di funzioni meccatroniche di sicurezza presso una grande multinazionale del settore automotive. Membro di comitati scientifici (SPS Italia) e di commissioni tecniche ISO, è esperto scientifico del MIUR e della European Commission e revisore di riviste scientifiche internazionali (IEEE Computer society). Sta seguendo attualmente un corso dottorato in matematica e fisica applicata. Appassionato di scienza, tecnologia, in particolare meccatronica, robotica, intelligenza artificiale e matematica applicata, letteratura, cinema e divulgazione scientifica, scrive per Oggiscienza dal 2015.

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