Soluzioni di design ispirate dalla natura

SOLUZIONI DI DESIGN ISPIRATE DALLA NATURA:
PROGETTAZIONE BIOMIMETICA DI MATERIALI E
STRUTTURE BIOCOMPATIBILI
Carlo Santulli
University of Reading, Centre for Biomimetics
[email protected]
BIOMIMETICA
Definizione:
Processo di astrazione del design dalla natura
Garanzia:
L’evoluzione garantisce che il design usato in natura funziona
Problema:
Capire la funzione che la struttura svolge in natura
Corollario:
La struttura spesso (sempre?) di funzioni ne ha molte
PENSIAMO ALL’UOVO...
Perfetta tenuta (smart packaging)
Utilizzazione ottimale dello spazio
Isolamento chimico e fisico
Resistenza sotto uniforme pressione
idrostatica
(si rompe solo per deformazione locale)
Applicazioni spaziali
BIOMIMETICA E MATERIALI
Creare dei materiali che:
• Rispondano dinamicamente alle forze applicate
(design-for-function)
• Siano capaci di costruirsi da soli in modo gerarchico ed
ottimizzato (self-assembly)
• Svolgano varie funzioni quando richiesto (multifunctionality): per esempio, meccanica e sensoriale
ed idealmente:
• Rispondano in modo attivo fermando il danneggiamento
prima che diventi catastrofico
(self-healing)
SELEZIONE DEI MATERIALI
Materiali
• Metalli
• Polimeri
• Compositi
• Ceramici
• Materiali naturali (es., legno, fibre)
Design
Uso combinato di diversi materiali
Problemi di interfaccia (giunzione)
Scelta del processo di produzione
Sostenibilità
Possibilità di riciclo
Scenari di fine vita
ESEMPIO: MATERIALI PER LO SPORT
Prestazioni
• Massima resistenza specifica
(per unità di peso)
• Aspetti specifici
(es., vibrazioni, aerodinamica)
Protezione dell’utente
• Biomeccanica
• Resistenza ad impatto
Vita di servizio
Progettazione a fatica
Costo
Estetica
ESEMPIO DI APPLICAZIONE
Basso peso
Telaio di bicicletta
Selezione del materiale
Protezione utente
Biomeccanica
Resistenza a fatica
Giunzione dei materiali
CHE FA LA NATURA?
Unico materiale proteico (U.M.P.)
Strutture cellulari
Selezione del materiale
Basso peso
Strutture a resistenza variabile
Ali di insetto
Protezione utente
Evoluzione della specie
Biomeccanica
Strutture ripiegabili
Resistenza a fatica
U.M.P. + Gerarchizzazione
Giunzione dei materiali
OTTIMIZZAZIONE
OTTIMIZZAZIONE
Istrice (Ericaneus europeus)
Gli aculei sono stati ottimizzati durante l’evoluzione
per fornire un migliore rapporto tra “struttura e funzione”
(protezione dagli attacchi esterni)
ESEMPIO DI STRUTTURA GERARCHIZZATA
Livelli gerarchici di un osso umano
STRUTTURA CELLULARE DI UNA PIUMA
Il corpo della piuma contiene una “schiuma” cellulare
Serve ad evitare che le piume cedano a flessione
La densità è bassissima (ρ = 0.06 g cm-3)
RIPIEGAMENTO DELLE ALI
(Mosca Drago)
Superficie delle ali
Ripiegamento e struttura delle ali
(x60)
Le ali della mosca drago sono coperte di sensori filiformi di flusso d’aria
INSETTO VS. AEREO:
UN PROBLEMA DI SCALA
•
•
•
•
Per modellizzare il volo di un aereo si può immaginare che il
flusso dell’aria sia laminare e che l’aria non sia viscosa
Nel caso dell’insetto invece la viscosità dell’aria è determinante,
per cui l’insetto deve produrre dei vortici, battendo le ali insieme,
dando un effetto di rotazione colpendo l’aria asimmetricamente
oppure per effetto del bordo esterno dell’ala
Tutti questi effetti consentono di avere una maggiore portanza nel
volo
Questi effetti funzionano perché le ali dell’insetto sono strutture
flessibili e ripiegabili che cambiano forma in modo complesso
durante il volo (aerofoils)
Applicazione: volo in atmosfera rarefatta (es. esplorazione di Marte)
STRUTTURA DELLE VENATURE NELLE ALI
(Zig Zag)
La struttura delle venature consente di imprimere una componente
di rotazione al volo (pallone “ad effetto”)
PROTOTIPO (MicroBat: Caltech, USA)
(insect-inspired Micro Air Vehicle)
Lunghezza 20 cm, Peso 11,5 g
Tempo di volo 6 min 17 s
(Primato mondiale novembre 2001)
Nel futuro: libellule artificiali che ispezionano un condotto
d‘acqua (da Rechenberg, 2005)
BIO-INSPIRAZIONE DA INSETTI
(Robot Scarafaggio: Stanford Uni.)
ZAMPETTE A MOLLA: Auto-stabilizzanti
RIFLESSI IMMEDIATI: Non servono sensori, risposta immediata.
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 ove richiesto
ROBOTICA (Muscoli artificiali)
• Il problema negli attuatori è il movimento “a
scatti” e non completamente continuo
• Inoltre, è difficile fabbricare piccoli attuatori per
bassissime forze (pochi Newton o meno)
Eppure, in natura...
MOVIMENTO DEL VERME:
MUSCOLO + PELLE
Due elementi:
• Strutture elicoidali (fibre)
• Gel poli-elettrolitici (poliacrilamide, polianilina, ecc.)
.
STRUTTURE ELICOIDALI 1
(Legno)
La struttura elicoidale nella disposizione delle cellule dà
l’eccezionale resistenza del legno a compressione e l’alto
lavoro di frattura. .
STRUTTURE ELICOIDALI 2
(Corazze di insetti)
Morfologicamente la procuticola
multilaminata di un insetto è un materiale
composito costituito da fibre di chitina ed altri
componenti che rinforzano una matrice
proteica (Vincent 1980).
Locuste
GEL E CELLULE
Cellule nel sughero (Hooke, 1664)
“La materia di base di cui i sistemi biologici sono formati è una specie di
materiale composito fatto di gel e fatto espandere in una soluzione
acquosa” (De Rossi, 1994)
Similarità tra il citoplasma cellulare ed il gel polimerico:
“Entrambi sono costituiti di polimeri con legami incrociati, entrambi
contengono acqua nella struttura, entrambi escludono alcuni soluti,
entrambi presentano potenziali elettrici variabili, ed entrambi presentano
l’ineffabile “tocco” del gel” (Pollack, 2001).
GEL POLIMERICO ATTIVO + FIBRE INTRECCIATE =
ATTUATORE REGOLABILE
Il gel assorbe acqua e si rigonfia, forzando la struttura a fibre intrecciate
a passare dall’angolo minimo al massimo, generando quindi lavoro di
attuazione (forza o spostamento)
MODELLO DEL COMPORTAMENTO
DELL’ATTUATORE A GEL
Isometrico (Forza Massima)
Accoppiamento movimento
assiale e flessione
Accoppiamento movimento
assiale e rotazione
Isotonico (Spostamento Massimo)
ESEMPIO DI STRUTTURA MODULABILE E
RIPIEGABILE (Kagome) BIO-ISPIRATA
Variazione di proprietà acustiche (tetto di auditorium polivalente)
COME IN PRATICA SI VARIA LA STRUTTURA
Possibile applicazione di attuatori a gel
AI LIMITI DELL’INTELLIGENZA
Design
Progettazione
Funzioni
Natura
Domande (Necessità)
Meccanica
Sensoriale
Protezione
CONTROLLO ATTIVO
DI TEMPERATURA ED UMIDITA’
Le foglie di alcune piante (p.es. alcune acacie) si chiudono
quando hanno un eccessivo tenore di umidità.
Questo riduce il numero di pori esposti alla luce solare,
e riduce le perdite d’acqua attraverso la traspirazione.
PIGNE APERTE E CHIUSE
Orientamento fibre di cellulosa
CONTROLLO PASSIVO DI UMIDITA’ E
TEMPERATURA (Pinecone effect)
Problema: difficoltà di aumentare lo spessore (numero di strati),
mantenendo queste proprietà
SUPERFICI AUTOPULENTI
(Lotus effect)
• Le piante di loto hanno delle superfici super-idrofobiche: le
goccioline d’acqua che vi cadono si raccolgono per l’alta
tensione superficiale della foglia.
• Di conseguenza, anche una lieve inclinazione della foglia,
dovuta al peso dell’acqua, le fa scivolare via.
• La superficie della foglia rimane asciutta anche durante un
forte temporale (monsone)
• Il rotolamento delle goccioline su piccole particelle di
sporco ne favorisce l’asportazione, sicché le foglie del loto
sono autopulenti.
AZIONE DELLE GOCCIOLINE
(Lotus effect)
Foglie di Nelumbo Nucifera subito dopo la caduta di goccioline
di liquido colorato ed alcuni secondi dopo
SPIEGAZIONE DELL’EFFETTO LOTO
•
•
•
•
•
L’effetto nasce poiché le foglie del loto hanno una struttura
superficiale molto fine e sono rivestite di cristalli di cera idrofobica
di diametro circa 1 nanometro.
Nella scala del nanometro, le superfici ruvide tendono ad essere più
idrofobiche di quelle lisce, a causa della ridotta area di contatto tra
l’acqua ed il solido.
Nella pianta del loto, la superficie reale di contatto è solo il 2-3%
della superficie ricoperta dalle gocce.
Questa nanostruttura ruvida è essenziale anche per l’effetto
autopulente: su una superficie idrofobica liscia, le goccioline di
acqua slittano piuttosto che rotolare e non raccolgono lo sporco
con la stessa efficacia.
Applicazione: Spray aerosol protettivo per rivestimenti esterni
(mattonelle, ecc.)
SETOLE E SPATOLE DEL GECO
Geco arboreo della Nuova Zelanda (BBC)
I gechi hanno sviluppato un “adesivo intelligente”, in grado
di modificare la forza di adesione a seconda della superficie di contatto.
Circa mezzo milione di setole copre ogni zampa di geco.
La terminazione di ogni setola si divide in centinaia di spatole.
FUNZIONAMENTO DELLE SETOLE
•
Le punte delle zampette nel geco sono fortemente idrofile, ma possono
aderire bene anche su superficie altamente idrofobiche e polarizzabili
•
Non ci sono indicazioni che la contaminazione della superficie possa
creare dei problemi
•
La forza di adesione offerta dalle setole è di circa 400 volte il peso del
geco
•
Punte di setole in diversi materiali (nanotubi di carbonio) sono stati
nano-strutturati per offrire il primo adesivo a secco universale
ADESIONE DELLE SETOLE
(diagramma di Ashby)
Le setole del geco sono un ottimo compromesso
tra una ragionevole forza di adesione ed un uso prolungato
SETOLE ARTIFICIALI
Le setole polimeriche artificiali seguono un processo
di fabbricazione mediato tra i microchip e la biomimetica
SENSORI BIOLOGICI
Insetti, ragni e crostacei ottengono informazioni sensoriali su:
• Deformazioni nella corazza (sensori campaniformi)
• Spettro infrarosso sostanze presenti (sensori chimici:
campaniformi modificati)
• Flusso e pressione dell’aria (sensori filiformi)
• Vibrazioni (sensori oblunghi e liriformi)
-
SENSORI CAMPANIFORMI NELLA LOCUSTA
(misura di deformazioni attraverso un foro nella corazza)
Anche il grillo presenta sensori campaniformi disposti ai lati
di un sensore filiforme e che ne determinano l’orientazione
SENSORI NEL GRILLO
(grillo marrone: Acheta Domesticus)
 Nell’addome del grillo ci
sono due propaggini dette
“cerci”.
 I cerci agiscono come
“meccanismo sensoriale”
per la sopravvivenza agli
attacchi dei predatori ed alle
modificazioni nell’ambiente
del grillo
Acheta domesticus sp.
Cerci
CERCI E SENSORI
Base di un
sensore filiforme
I recettori hanno varie forme (coniche, campaniformi, filiformi),
sono lunghi da 30 a 1500 µm ed hanno un diametro da 1 a 9 µm.
OBIETTIVI STUDIO BIOSENSORI
 Favorire l’avanzamento di sistemi di percezione
biomimetici fornendo nuovi dati e concetti su una
catena “sensazione-percezione-azione” utilizzando
tecnologie innovative
 Combinare le varie esperienze (ecologia dei sensori,
scienza dei materiali, sistemi micro-elettromeccanici
(MEMS) e bio-computer.
CARATTERIZZAZIONE
Morfologia dei sensori filiformi (pelo e sistema di ancoraggio al neurone)
Proprietà meccaniche (nanoindentazione)
Risposta del sistema al flusso d‘aria
(spostamenti angolari, risposta in frequenza)
APPROCCIO
 Studio della percezione e delle azioni
di fuga dei grilli in risposta agli
attacchi dei predatori (ragni)
 Caratterizzare e modellizzare le
proprietà meccaniche e funzionali dei
singoli meccano-ricettori e del sistema
costituito dal loro insieme
 Progettare grandi sistemi di sensori
MEMS
 Costruire un prototipo miniaturizzato
con l’utilizzo di bio-computer (neuroni
di grillo)
FABBRICAZIONE MICROCHIP
CON SENSORI BIO-ISPIRATI
INTEGRAZIONE DELLE INFORMAZIONI
Sistema Biologico
Ricostruzione
Modellizzazione
Risposta del sistema
Applicazione prevista: Una nuova generazione di impianti cocleari
a basso consumo di energia e di costo contenuto
per persone con grave deficit uditivo
ESEMPIO DI MATERIALE NATURALE:
GUSCIO DELL’ABALONE (mollusco)
(Mattoni di carbonato di calcio e “colla” proteinica)
Il guscio dell’abalone non è fragile,
perché le laminette scorrono e scivolano l’una sull’altra
impedendo la formazione delle cricche
MATERIALI COMPOSITI DALLA BIOMIMETICA
Fibre proteiniche
Fibre cellulosiche
Cheratina (piume)
Fibroina e sericina (seta)
Chitina (corazze insetti, abalone)
Collagene (tendini)
Resilina (pulci)
Matrice non-degradabile (es. Poliestere)
Matrice degradabile (es. Acido polilattico)
Compositi ibridi (con vetroresina)
Selezione del tipo di fibra più adatta
Fibre di pura cellulosa (nanostruttura)
SETA DEL RAGNO
• Tenacità
comparabile ai filamenti di
Kevlar
• Biocompatibile, biodegradabile e
chimicamente progettata per la
funzione
• Elevate proprietà meccaniche,
malgrado la tessitura avvenga quasi a
temperatura ambiente usando acqua
come solvente
PROPRIETA’ E COMPATIBILITA’ SETA
Rubber
La superficie delle fibre è liscia e compatibile con la
matrice polimerica senza bisogno di azione chimica.
Possibile una certa scelta di proprietà meccaniche.
FILATURA DELLA SETA DEL RAGNO
•
•
•
•
Controllato ripiegamento e cristallizzazione delle catene
proteiniche
Composito di rigida struttura gerarchica
Estrusione della seta liquida cristallina in un filo indurito con
l’applicazione di una minima forza
Doppio processo di trazione direzionale, interno (nel ragno) ed
esterno (all’aria)
Tecno-sete (techno-silks) costituite da:
• Proteine naturali geneticamente modificate (GM)
• Proteine progettate
• Miscele proteine–plastica
Filatura come estrusione di un filamento
con controllo di pressure e spessore ottimizzato
e punto di scarico flessibile
(alternanza di aree di buona e scarsa adesione)
STRUTTURA E PROPRIETA’ DELLE PIUME
• Una molla molto elongata rende l’idea della
cheratina delle piume
• Le proprietà delle piume inferiori nelle anatre,
oche e pinguini sono strutturalmente simili alle
piume da volo ed ai polimeri artificiali utilizzati
nelle fibre per isolamento artificiale
• Problema: Se esposte all’umidità, le piume
coalescono e perdono molto del loro valore
isolante
PIUME CHERATINICHE
Piume di struzzo
Piume inferiori di pinguino al microscopio
Poca differenza di proprietà meccaniche tra varie specie
(conta più la forma della piuma che le proprietà del materiale)
UTILIZZO DELLE PIUME NEI COMPOSITI
La resistenza all’abrasione delle
piume aumenta con la presenza
della melanina, che dà origine
alla colorazione nera o marrone
scura di parte delle piume
•Il piccolo diametro (5 µm) e la bassa compressibilità delle fibre della
piuma le rendono ideali per assorbire le sostanze chimiche ed i particolati
dall’aria o da una soluzione (trattamento chimico)
•Per assicurare un’uniforme qualità del prodotto finale, le fibre richiedono
un legante per mantenere una spaziatura uniforme tra fibre vicine.
SELEZIONE DELLE FIBRE NATURALI:
lista fibre usate per produrre materiali
E potenzialmente ce ne sono molte altre…
ESEMPIO: ALCUNE APPLICAZIONI DEL COCCO
(FRUTTO E FIBRA)
Orticultura
Supporto per le piante
Vasi
Alimentare
Latte, noci, polvere
Costruzioni
Geotessili, laminati
Chimica
Casa
Carboni attivi
Mattoncini barbecue
Zerbini, stuoie, peluche
Materassini cocco-gomma
Geotessile in fibra di cocco
(protezione dall’erosione
Stuoia di sisal
Nastro di abaca
Fune di canapa
Tubo di canapa intrecciata
Tipi di tessuto di juta
FIBRE NATURALI
FATTORI PER LA SELEZIONE
–
–
–
–
–
Costi di trasporto (preferibili fibre locali)
Adattabilità all’applicazione
Trattamento richiesto per ottenere proprietà sufficienti
Aspetti ambientali (LCA)
Aspetti biologici (origine e maturità della fibra, estrazione)
TIPICA MICROSTRUTTURA
DI UNA FIBRA VEGETALE
• Filamenti di forma irregolare (4-12 µm) con lumen interno
• I filamenti hanno una struttura composita fino a livello
cellulare (materiale legno-cellulosico rinforzato da bande di
micro-fibrille elicoidali di cellulosa)
• L’angolo microfibrillare, formato dall’elica, influenza la
resistenza e la lunghezza delle fibre, e dipende dalla
maturità delle stesse
VANTAGGI DI UTILIZZARE I COMPOSITI
A FIBRA VEGETALE IN STRUTTURE
Basso peso (circa 0.8-1.4 contro 2.5 delle fibre di vetro)
Possibilità di formare compositi ibridi (strati di vetroresinastrati rinforzati con fibre vegetali)
In accoppiamento con matrici biodegradabili (es., acido
polilattico) si può ottenere un composito completamente
sostenibile (?!)
CICLO DI VERIFICA DI UN COMPOSITO
DI ALTA RESISTENZA
Fatica
Impatto
Tecniche non-distruttive
Alta deformazione
Tecniche di caratterizzazione
(microstruttura)
Evoluzione del danno
durante il servizio
LAMINATI CON FIBRE NATURALI O CON FIBRE DI VETRO
Juta/poliestere
Fibra di vetro/polipropilene
Juta
• Geometrie irregolari dei fasci di fibre
• Criticità del modo di adesione tra fibra e matrice (compatibilità)
RESISTENZA AD IMPATTO
Santulli-Cantwell, 2000
La disposizione “a pino rovesciato” delle fratture ad impatto, tipica dei
compositi con forte resistenza all’interfaccia tra fibre e matrice,
si osserva anche nei compositi rinforzati in fibra di juta.
LAMINATI IBRIDI
(FIBRA DI LINO-EPOSSIDICA/FIBRA DI VETRO-EPOSSIDICA)
Faccia impattata
Bordo
L’interno del laminato in fibra naturale esercita
una buona azione di dissipazione del danneggiamento
INFLUENZA DEI DIFETTI
Difetto di iniziazione
del danneggiamento
Danneggiamento per impatto innescato da un difetto superficiale
su un laminato in fibra di lino e resina epossidica
ALTRE POSSIBILITA’
Ripresa materiali
tradizionali
(Bambù)
Ricerca fibre
alternative
(formium)
Strutture cellulari
naturali
(nido d’ape)
CENTRE FOR BIOMIMETICS: ATTUALI INTERESSI
Materiali biologici
Smart fabrics
Proprietà del cibo
Piume
Compositi in fibra naturale
Legno
Strutture cellulari
Materiali a base di amido
Proprietà isolanti delle piume caudali del pinguino
Controllo di umidità e superfici autopulenti
Controllo non distruttivo sulla frutta
Ottimizzazione del taglio e micro-taglio
Materiali multifunzionali
Corazze e sensori di insetti
Gel per attuatori e rilascio di fluidi
Vibrazione dell’orecchio
Controllo protesi acustiche
Studio del trauma postoperatorio