“BIOMIMETICA TRA TECNOLOGIA E ARCHITETTURA"
(Siracusa 10 febbraio 2010)
Carlo Santulli
Seconda università di Napoli (SUN), Dipartimento IDEAS
CHIOSTRO DI SAN LORENZO,
SUN, FACOLTA’ DI ARCHITETTURA, AVERSA
Ringraziamenti a:
Adriana Biasco (CNR­Lecce)
Mario De Stefano e Massimo Parisi (Seconda Università di Napoli)
Fabrizio Sarasini e Igor M. De Rosa (Università di Roma – La Sapienza)
“Biomimetics is the abstraction of good design from nature”
(J.Vincent, 1991) LA PROSPETTIVA TRADIZIONALE DELL'INGEGNERE DEI MATERIALI
•
Ho bisogno di materiali sufficientemente rigidi ed elastici
•
Progetto l'intera struttura e il suo assemblaggio •
Immagino la mia struttura senza difetti e con proprietà uniformi dappertutto (poi applico delle “correzioni” perché so bene che non è esattamente così)
Strutture architettoniche
Strutture per il trasporto
Strutture per vari usi
Col metodo tradizionale ottengo degli ottimi risultati, ma:
• Consumo tantissima energia
• Non produco sempre oggetti sostenibili per l'ambiente
• Ho difficoltà a creare strutture con più funzioni e adattabili ALCUNI SUCCESSI DELLA BIOMIMETICA
INGEGNERIA NATURALE Velcro (giunzione reversibile)
Adattabilità
All’ambiente
Effetto loto (superfici autopulenti)
Gestione
della complessità
Geco (“adesivo” nanostrutturato)
Ridondanza
progettuale
Rugosità della pelle dello squalo (migliore portanza nel nuoto)
STRUTTURE GERARCHIZZATE
Chiralità
Fibre vegetali
EFFETTI DELLA GERARCHIZZAZIONE:
Camuffamento
Esempio di struttura gerarchizzata:
Gorgonocephalus Eucnemis
(“stella marina a cesto”)
Sensorialità
Auto­assemblaggio
(nanostrutturazione)
Auto­riparazione
Design per la funzione
STRATEGIE DI SOPRAVVIVENZA: DALL’ACCUMULO ALL’ORIENTAMENTO
La calla (Zantedeschia Aethiopica) accumula l'acqua nel suo lungo “serbatoio” interno (rizoma).
La mantiene e la distribuisce secondo necessità nella sua struttura a spirale
La pulce d'acqua si riproduce per partenogenesi; in ambienti aggressivi invece produce uova molto resistenti.
Dafnia (pulce d'acqua)
Le uova contengono magnetite (Fe3O4) e quindi si comportano come bio­magneti, il che è utile dal punto di vista del comportamento, per esempio per l'orientamento nella navigazione.
Batterio con magnetosomi
(barra = 1 micron)
Modello di filtro
basato sulla calla
I batteri magnetotattici possono produrre particelle di magnetite (Fe3O4) o di greigite (Fe3S4), sebbene alcune specie le producano entrambe.
La magnetite possiede un momento magnetico pari
a circa tre volte quello della greigite.
DALLA RIGENERAZIONE (stella marina) ALL’ATTUAZIONE (polipo)
La capacità di rigenerazione è inversamente proporzionale alla complessità (p.es. i mammiferi non possono rigenerare gli arti). La rigenerazione degli arti in animali come le stelle marine avviene in due fasi: de­differenziazione delle cellule adulte (ovvero ritorno ad uno stato di staminali), poi sviluppo dei nuovi tessuti. Animali così semplici mantengono per tutta la durata di vita una certa quantità di cellule staminali, in grado di migrare verso le parti del corpo da rigenerare. Stella marina a girasole (Pycnopodia helianthoides)
A Movimento reale del polipo verso un obiettivo
B Movimento neurologico della sola zampa
C Modellizzazione lineare del movimento
D Modellizzazione non lineare del movimento
Movimento finale della zampa in funzione del rapporto tra la forza ventrale e quella dorsale del muscolo.
Il polipo (Octopus Vulgaris) viene intensamente studiato p.es. nella robotica onde assicurare un'attuazione
in tempi molto brevi e con forze relativamente modeste (anche di pochi newton), il che consentirebbe minori
sprechi di energia e l'uso di materiali più “smorzati”
MUSCOLI ARTIFICIALI
ESEMPIO BIOMIMETICO:
I muscoli artificiali (o attuatori graduali)
vengono costruiti con gel polimerici a pressione variabile di fluido, che può essere mutata p.es. cambiando
la temperatura, l'acidità della soluzione,
il contenuto di sale, ecc.
Questi sistemi funzionano anche come
ammortizzatori a modulo variabile BARICENTRO E VIBRAZIONI:IL CASO DEL PICCHIO
Becco
Collo
Sistema
viscoelastico
legno dell'albero
Il picchio effettua delle perforazioni come un martello pneumatico, battendo
con una frequenza di circa 30 Hz. Tuttavia il suo centro di rotazione è molto basso
(in pratica, batte muovendo buona parte del corpo) e questo fa sì che
il sistema viscoelastico (molla + ammortizzatore) del collo sia soggetto a delle forze di
rotazione molto minori, e che quindi non lo danneggiano. ATTUATORI NATURALI TRA LE PIANTE
Anche nel mondo vegetale ci sono attuatori, che sfruttano la diversa pressione del fluido presente
nelle proprie cellule (principio naturale che è alla base anche. p.es., del movimento dei vermi)
Ci sono piante che aprono e chiudono le foglie a seconda della temperatura e dell'umidità
(per esempio la mimosa, o l'acacia)
per avere sempre la giusta quantità di sole e di acqua
La dionea ha un sistema di serraggio “automatico”
per catturare mosche e piccoli insetti di cui si nutre
Tessuto ispirato agli attuatori vegetali
(pine cone effect)
ALI DELLA LIBELLULA
Superficie delle ali
Ripiegamento e struttura delle ali
(ingrandimento 60x)
Le ali della libellula sono coperte di sensori filiformi di flusso d’aria,
similmente a quello che si vede sui cerci del grillo (animazione) La venatura delle ali consente di dare
un particolare “effetto” al volo, per
tenere conto delle piccole dimensioni
dell'insetto nella corrente di vento.
ZAMPETTE A MOLLA:
Auto­stabilizzanti
RIFLESSI IMMEDIATI:
Non servono sensori
POSTURA:
L’angolo tra le zampette
conferisce stabilità.
SEMPLICE SISTEMA NERVOSO: Unico scopo il movimento.
RUOLO DELLE ZAMPETTE: Posteriori per accelerare
anteriori per decelerare
mediane per entrambe le funzioni
Nel futuro: libellule artificiali che ispezionano un condotto d‘acqua (endoscopia?)
SENSORI NEGLI INSETTI (es., grilli domestici):
BASE DI UN SENSORE FILIFORME
(DI VIBRAZIONE)
SENSORE CAMPANIFORME
(DI SPOSTAMENTO)
MICROCHIP ISPIRATO AI SENSORI FILIFORMI
SUPERFICIE DI UNO DEI CERCI
(“antenne”): i sensori conici sono recettori chimici
Colore strutturale: La farfalla Cyanophrys Remus, originaria del Brasile, ottiene una colorazione diversa dai due lati attraverso la particolare riflessione luminosa selettiva di strutture cristalline (microlamelle), presenti sulla sua superficie (viene studiata per la produzione di vernici senza pigmenti)
ANCORA SULLE ALI DELLE FARFALLE…
Iridescenze delle piume di pavone: altro esempio di colore strutturale, dovuto a microlamelle,
la cui mutua distanza è paragonabile alla lunghezza d’onda
della luce visibile. Quando la luce interagisce con esse,
viene filtrata o riflessa causando l’interferenza ottica
e consentendoci di apprezzare le varie tonalità
Riproduzione nanometrica della struttura
modulare dell’ala di una farfalla
In lega di germanio­antimonio­selenio (sx)
e la struttura naturale (dx)
STRUTTURE CELLULARI REGOLARI
NATURALI
BIOMIMETICHE
Nido di vespe
Nanoparticelle di polistirene
auto assemblate su vetro
osservate all’AFM (microscopio a forza atomica)
Dalie
INGEGNERIZZATE
Schiuma polimerica a nido d’ape
Le particelle, di dimensione 465 nanometri (pari ad una luce visibile blu) si
dispongono in un arrangiamento esagonale e strettamente impacchettato. Poiché la dimensione delle particelle è quella di un raggio di luce visibile,
l’interazione della luce con il cristallo formato produce fenomeni di diffrazione o filtrazione mimando l’iridescenza tipica dei materiali biologici. Questo è un esempio di un’applicazione pratica che prende spunto
da strutture esistenti in natura.
MATERIALI AUXETICI
In natura, per esempio nella pelle della salamandra o di alcuni serpenti, ci sono cellule che hanno proprietà auxetiche, cioè che quando vengono tirate, invece di
restringersi come succede ai fili, si allargano. Questa proprietà permette ai serpenti
la macrofagia, cioè divorare prede abbastanza grandi aprendo la bocca a piacimento.
Proprietà simili sono riscontrabili anche in nuovi materiali, come i nanotubi di carbonio.
AUXETICI RIENTRANTI
AUXETICI CHIRALI
Per la produzione dei materiali auxetici
si è ipotizzata la costruzione di materiali
compositi con fibre tessute con struttura
a doppia elica (tipo DNA…)
FIBRE NATURALI AL MICROSCOPIO ELETTRONICO
ANANAS
IBISCO
JUTA
Presenza di fori e lacune con disposizione variabile, a seconda del tipo di tessuto
delle fibre e dall’origine (foglia, stelo, frutto, seme)
SEDANO
FORMIUM
ORTICA
RUOLO DEI VUOTI: LEGGEREZZA, AUTO­RIPARAZIONE Vernice autoriparante (poliuretano con chitosano)
“Biomimetic technical stem”
e ispirazioni
Quando il materiale è danneggiato, la resina è rilasciata nella frattura
e solidifica al contatto con un agente indurente presente nel materiale.
Questi, una volta esposta la superficie alla luce ultravoletta, creano legami di reticolazione al fondo della frattura, sanandola dopo breve tempo.
Le fibre forate possono fornire una migliore visualizzazione del danneggiamento
e possibilmente autoripararsi (self­healing)
« Bleeding composites »
Nell'osso di seppia (qui su), la presenza di due piani perpendicolari di simmetria permette un'efficiente tenuta stagna.
La conchiglia dell'abalone è un esempio di ceramico tenace (mattoni di carbonato di calcio + proteina come collante):
le unità strutturali sono capaci di scivolare l'una rispetto all'altra, resistendo alla formazione delle fratture.
Conchiglia di Haliotis
La parte interna di molte conchiglie presenta dei colori iridescenti.
Questo fenomeno è dovuto alla presenza di diversi strati di madreperla, ciascuno dei quali formato da piccolissime piastre
di cristalli di carbonato di calcio (aragonite). Anche in questo caso l’iridescenza è dovuta all’interferenza
o alla diffrazione della luce da parte di queste nano­strutture.
Le conchiglie hanno la capacità di auto­assemblarsi a partire dagli ioni presenti nel mare, conferendo all'intera struttura un'enorme resistenza alla propagazione del danneggiamento. DIATOMEE
Simmetria centrale
Simmetria pinnata
“The glass forest”
Le diatomee sono micro­alghe unicellulari che comprendono nanostrutture complesse. La materia cellulare è rinchiusa in una parete di silice
idrata amorfa (frustulo), costituita da due valve congiunte. Nelle valve ci sono reticoli di pori regolari. Mentre i pori permettono ai frustuli di essere leggeri,
la silice conferisce un'elevata resistenza meccanica.
Diatomea con valve radiali Coscinodiscus walesii e struttura “fotonica” dei pori
Usi possibili:
sistemi di somministrazione controllata biosensori per luminescenza
GIUNZIONI FLESSIBILI (INTERLOCKING SPINES) DELLE DIATOMEE
Le diatomee per unirsi in colonie hanno dei veri e propri sistemi di giunzione, alcuni irreversibili, come incastri, altri reversibili come pezzi di un puzzle.
Questo può essere utilizzato dove servano geometrie di giunzione innovative (es. gioielleria)
INCOLLAGGIO CON FILO
“BISSALE” (MOLLUSCHI)
STRATEGIE DI ADESIONE
MECCANICO A PRESSIONE
(POLIPO)
DISPERSIVO (GECO)
(basato su attrazioni elettrostatiche)
CONCLUSIONI: CARATTERISTICHE DEL DESIGN NATURALE
CAPACITA' DI ADEGUARSI ALL'AMBIENTE
ADATTABILITA'
PROGETTARE ATTRAVERSO I DIFETTI
LEGGEREZZA/CONTROLLO DELLE VIBRAZIONI
POCHI MATERIALI COMPATIBILI TRA LORO
SEMPLICITÀ
GIUNZIONI SENZA TRATTAMENTO SUPERFICIALE
COLORE STRUTTURALE
