Capitolo 1 : Biomimetica

Emulare i modelli, i processi e i componenti della natura allo scopo di trovare soluzioni a difficili problemi umani è esattamente ciò di cui si occupa la biomimetica, nota anche come biomimetica. Sia la "biomimetica" che la "biomimetica" hanno le loro origini nel greco antico: ß?o? (bios), che significa vita, e µ?µ?s?? (mimesis), che significa imitazione. Questi nomi derivano dalla parola greca µ?µe?s?a? (mimeisthai), che significa imitare, e µ?µ?? (mimos), che significa attore. La bionica è un campo strettamente correlato a questo.

Nel corso dei 3,8 miliardi di anni trascorsi da quando si pensa che la vita si sia evoluta per la prima volta sulla Terra, la natura ha subito il processo di evoluzione. Ha sviluppato specie altamente efficaci facendo uso di risorse prontamente disponibili. Le proprietà dei materiali derivano dalle interazioni che avvengono tra le superfici dei solidi e altre superfici, nonché l'ambiente circostante. L'organizzazione dei materiali biologici è estremamente complessa, spaziando dalla dimensione molecolare a quella nano, micro e macro. Questi materiali sono spesso disposti in modo gerarchico e la loro nanoarchitettura è sofisticata. Alla fine, sono composti da un'ampia varietà di componenti funzionali diversi. I materiali e le superfici hanno caratteristiche che sono la conseguenza di una complessa interazione tra la struttura e la morfologia della superficie, nonché le proprietà fisiche e chimiche del materiale. Un'ampia varietà di materiali, superfici e oggetti in generale sono in grado di svolgere molte funzioni.

Un'ampia gamma di materiali, strutture e gadget è stata fabbricata per scopi commerciali da ingegneri, scienziati dei materiali, chimici e biologi. Inoltre, artisti e architetti hanno creato queste cose per motivi di bellezza, struttura e design attraverso il loro lavoro. Le capacità di autoguarigione, la tolleranza e la resistenza all'esposizione ambientale, l'idrofobicità, l'autoassemblaggio e la capacità di catturare l'energia solare sono solo alcune delle difficoltà ingegneristiche che la natura ha gestito. L'influenza che i materiali e le superfici bioispirate hanno sull'economia è sostanziale, con stime che vanno da diverse centinaia di miliardi di dollari all'anno nel resto del mondo.

Uno dei primi esempi di biomimetica si riferisce allo studio degli uccelli al fine di sviluppare le capacità di volo per l'uomo. Leonardo da Vinci (1452-1519) fu un attento osservatore dell'anatomia e del volo degli uccelli. Ha creato diversi appunti e schizzi sulle sue osservazioni, così come schizzi di "macchine volanti". Nonostante il fatto che non sia mai riuscito a sviluppare una "macchina volante", è stato il creatore di numerosi schizzi di macchine volanti. Si dice che le osservazioni dei piccioni in volo siano servite come fonte di ispirazione per i fratelli Wright, che riuscirono a pilotare il primo aereo più pesante dell'aria nell'anno 1903.

Otto Schmitt, un biofisico americano e poliedrico, è accreditato di aver sviluppato l'idea di "biomimetica" negli anni '50. La sua ricerca di tesi ha portato allo sviluppo del grilletto di Schmitt, che ha creato analizzando i nervi trovati nei calamari. Stava cercando di progettare un dispositivo che imitasse il sistema biologico responsabile della propagazione dei nervi. Continuò a concentrarsi sullo sviluppo di macchine in grado di imitare i processi naturali e nel 1957 riconobbe un'alternativa al punto di vista convenzionale della biofisica dell'epoca, che in seguito avrebbe chiamato biomimetica.

È più corretto dire che la biofisica è un punto di vista piuttosto che una raccolta di fatti. In altre parole, è un metodo che applica la teoria e la tecnologia delle scienze fisiche alle difficoltà che si presentano nel campo della ricerca biologica. La biofisica, d'altra parte, è anche un metodo che un biologo adotta per risolvere problemi associati alla scienza fisica e all'ingegneria, nonostante il fatto che questo elemento sia stato generalmente ignorato.

Nel 1960, Jack E. Steele, che lavorava alla Wright-Patterson Air Force Base di Dayton, Ohio, inventò un termine molto simile a bionica. All'epoca vi lavorava anche Otto Schmitt. Steele ha caratterizzato la bionica in termini di "scienza dei sistemi che hanno qualche funzione copiata dalla natura, o che rappresentano caratteristiche dei sistemi naturali o dei loro analoghi". In un incontro successivo, nel 1963, Schmitt fece la seguente dichiarazione:

Al fine di utilizzare efficacemente le competenze tecniche degli scienziati che si specializzano, o meglio, dovrei dire, si despecializzano in questo campo di ricerca, prendiamo in considerazione ciò che il termine "bionica" ha assunto in termini di significato operativo, nonché ciò che dovrebbe significare esso o una parola ad esso simile (preferisco biomimetica).

Il termine "biomimetico" è stato usato per la prima volta da Schmitt nel titolo di uno dei suoi articoli nel 1969 e nel 1974 si era fatto strada nel Webster's Dictionary. All'interno dello stesso lessico, la bionica è stata descritta per la prima volta come "una scienza interessata all'applicazione di dati sul funzionamento dei sistemi biologici alla soluzione di problemi ingegneristici" nell'anno 1960. Il termine "bionico" ha assunto un nuovo significato dopo che Martin Caidin ha fatto riferimento a Jack Steele e al suo lavoro nel romanzo Cyborg, che è stato poi adattato nella serie televisiva L'uomo da sei milioni di dollari e nei suoi spin-off nel 1974. "L'uso di parti del corpo artificiali azionate elettronicamente" e "avere poteri umani ordinari aumentati da o come se fosse con l'aiuto di tali dispositivi" sono due delle definizioni che sono state collegate al termine "bionico". A causa del fatto che il termine "bionico" è stato associato a un potere soprannaturale, la comunità scientifica delle nazioni in cui l'inglese è la lingua principale lo ha abbandonato.

La biomimetica è stata introdotta per la prima volta al pubblico nell'anno 1982. Nel suo libro pubblicato nel 1997 intitolato "Biomimicry: Innovation Inspired by Nature", la scienziata e autrice Janine Benyus è accreditata di aver reso popolare il concetto di biomimetica. La biomimetica è descritta come una "nuova scienza che studia i modelli della natura e poi imita o prende ispirazione da questi disegni e processi per risolvere i problemi umani", secondo la definizione del libro. Il concetto di guardare alla natura come "Modello, Misura e Mentore" è incoraggiato da Benyus, che sottolinea anche l'importanza della sostenibilità come obiettivo della biomimetica.

Una descrizione di "managemANT" è stata sviluppata da Johannes-Paul Fladerer e Ernst Kurzmann, ed è considerata uno degli esempi più recenti di biomimetica. L'espressione "gestione" è una combinazione delle parole "formica" e "gestione" e si riferisce all'utilizzo dei metodi comportamentali delle formiche nelle strategie economiche e gestionali. La quantificazione dei possibili effetti a lungo termine della biomimetica è stata inclusa in un rapporto commissionato dallo zoo di San Diego nel 2013 e pubblicato dal Fermanian Business & Economic Institute. I risultati hanno fornito la prova dei potenziali benefici economici e ambientali della biomimetica, che possono essere ulteriormente osservati nella strategia "managemANT" sviluppata da Johannes-Paul Fladerer e Ernst Kurzmann. Le tattiche economiche e gestionali utilizzate in questo approccio si basano sulle strategie comportamentali impiegate dalle formiche.

In effetti, la biomimetica ha il potenziale per essere utilizzata in un'ampia varietà di settori. Esiste un'enorme varietà di caratteristiche che potrebbero essere imitate nei sistemi biologici a causa della diversità e della complessità di questi sistemi. Ci sono diverse fasi di sviluppo in cui si trovano ora le applicazioni biomimetiche, che vanno dalle innovazioni che potrebbero potenzialmente diventare commercialmente utilizzabili ai prototipi. È stato riderivato per fornire formule semplici per il tubo o il diametro del tubo, che fornisce un sistema di ingegneria di massa minimo. La legge di Murray, che nella sua forma usuale determinava il diametro ottimale dei vasi sanguigni, è stata riderivata.

Uccelli e pipistrelli sono una fonte di ispirazione per la progettazione delle ali degli aerei e le tecniche di volo. È stato il becco del martin pescatore a fungere da ispirazione per l'aerodinamica del design aerodinamico della serie Shinkansen 500, che è un treno giapponese ad alta velocità potenziato.

Tra i biorobot che si basano sulla fisiologia e sui metodi di locomozione degli animali ci sono i seguenti: BionicKangaroo, che si muove come un canguro, risparmiando energia da un salto e trasferendola al salto successivo; Kamigami Robots, un giocattolo per bambini, imita la locomozione degli scarafaggi per correre in modo rapido ed efficiente su superfici interne ed esterne; e Pleobot, un robot ispirato ai gamberetti che viene utilizzato per studiare il nuoto metacrono e gli impatti ecologici di questa andatura propulsiva sull'ambiente.

Esempi di mammiferi volanti, uccelli o insetti servono come fonte di ispirazione per i BFR. Quando si tratta di BFR, possono essere azionati da eliche o avere ali che sbattono, che sono responsabili della produzione di portanza e spinta. I BFR con ali sbattenti hanno una maggiore efficienza di corsa, una maggiore manovrabilità e un minor consumo di energia rispetto ai BFR azionati da elica. Ci sono somiglianze nelle caratteristiche di volo e nelle preoccupazioni di progettazione dei BFR che sono influenzate da uccelli e mammiferi. Migliorando la rigidità del bordo dell'ala e delle estremità alari, ad esempio, i BFR ispirati a mammiferi e uccelli riducono la quantità di...