Gli esseri viventi si sono evoluti nel corso della loro esistenza al solo scopo di sopravvivere e riprodursi. Grazie a questo, siamo diventati il “gene egoista” descritto da Darwin e quando abbiamo bisogno di soluzioni a cambiamenti drastici per affrontare le crisi che si verificano nel pianeta, possiamo sempre affidarci e scommettere sulla natura.
Cos’è la biomimetica?
La biomimetica è lo studio della natura con lo scopo di imitarne il funzionamento, a cui oggi ci si affida per trovare risposte innovative ai problemi attuali, in modo sostenibile. La natura ha avuto milioni di anni per perfezionarci, e analizzare comportamenti, materiali, processi meccanici o organizzativi di un elemento presente in natura ci garantisce l’acquisizione di conoscenze e la sperimentazione di strategie e metodi ottimizzati per possibili applicazioni.
Il vantaggio di sfruttare i principi biomimetici è che, grazie all’impiego di materiali che imitano i processi naturali, i prodotti realizzati saranno resilienti, potendo contribuire alla salvaguardia dell’ambiente e degli esseri che lo abitano. L’utilizzo per i prodotti di architettura risale già a diversi anni addietro, ie ciò ha permesso un migliore utilizzo delle risorse, un maggiore resistenza agli agenti atmosferici, un’implementazione delle performances dei materiali e un basso impatto ambientale.
Il potenziale sfruttamento in ambito tecnologico è enorme e le possibilità sono infinite, perché quando si parla di natura, gli elementi la cui imitazione puo’ portare vantaggi non mancano. In generale, è possibile trarre ispirazione da queste 3 aree:
- Sostanze chimiche naturali
Molte piante e animali producono diverse sostanze che possono essere di interesse per la creazione di prodotti innovativi. Veleni, colle e sostanze anticongelanti, ad esempio, possono essere generati naturalmente dall’organismo di alcuni animali e piante e la loro analisi ci permette di applicarli nell’ambito della tecnologia medica o tessile per migliorare i nostri prodotti. Polimeri sintetici per imitare molecole antigelo e le super colle lavabili o utilizzabili all’infinito sono alcune delle sperimentazioni attualmente in corso.
- Anatomia e tessuti
La maggior parte dei mezzi di trasporto è ispirata agli animali, e il processo di imitazione sta investendo molti ambiti, soprattutto quello medico. Si stanno progettando protesi come bracci robotici o apparecchi acustici, nonché tessuti ispirati agli animali come le ragnatele.
- Organizzazione
L’organizzazione in natura è una parte molto importante, per alcuni animali è la caratteristica primaria di sopravvivenza. Le formiche e le api hanno una gerarchia e un’organizzazione invidiabili, il cui meccanismo viene imitato per la realizzazione di microbot volanti sincronizzati.
Puo’ essere interessante anche analizzare il comportamento di questi insetti a fini sociali, ad esempio per migliorare gli spazi di lavoro.
Applicazione computazionale
L’avvento dei processi informatizzati ha cambiato il modo di vivere a livello globale e lo studio della biomimetica nell’area meccanica e architettonica ha iniziato a migrare verso l’area della robotica. Il boom delle sperimentazioni in questo campo ha spinto le ricerche verso le strategie di simulazione del cervello umano, anche siamo ancora lontani dal raggiungere questo obiettivo. Ciononostante, è innegabile che siano stati fatti grandi progressi nel campo della medicina, ad esempio nell’ambito delle nanotecnologie, come in alcuni casi illustrati di seguito.
Reti neurali
I neuroni sono le cellule incaricate di trasportare le informazioni, interpretarle e produrre reazioni; sembra semplice, ma ciò significa che sono responsabili del rilascio di ormoni, dell’invio di segnali di dolore e di milioni di altre funzioni all’interno del corpo umano.
Le nostre esperienze modificano le sinapsi (le connessioni fra neuroni) e queste alterazioni permanenti sono responsabili della memoria. In pratica, quando accade qualcosa che in futuro ricorderemo, si genera nel cervello un segnale elettrico che provoca variazioni chimiche e strutturali dei neuroni. Le reti neurali artificiali cercano di imitare questo funzionamento per creare un’intelligenza artificiale che utilizzi i dati come un cervello umano.
I neuroni artificiali sono piccoli moduli software chiamati nodi, integrati in un programma o algoritmo che alla fine diventerà la rete neurale. Attualmente sono utilizzati in molti ambiti: nella diagnostica medica, per l’analisi di immagini e studi, nonché nell’identificazione di sostanze chimiche e nella previsione finanziaria. Il potere delle reti neurali sta nel fatto che possono:
– Analizzare e trarre conclusioni generalizzate.
– Scoprire modelli nascosti di dati non elaborati e rivelare relazioni.
– Essere implementati in base all’utilizzo dell’utente.
– Elaborare e modellare dati altamente complessi.
Algoritmi genetici
Sulla base ella teoria dell’evoluzione di Darwin, secondo cui sopravvive chi si adatta meglio, l’algoritmo genetico cerca la soluzione ottimale a un problema, attraverso meccanismi biologici. Genera in modo casuale tutte le possibili soluzioni riguardo a un determinato problema e poi sceglie quella che meglio si adatta a quel problema. Si tratta di un’opzione eccellente per prendere decisioni efficienti e può essere utilizzata per migliorare le prestazioni delle reti neurali. Gli algoritmi genetici rientrano nello studio dell’intelligenza artificiale e più in particolare nella branca della computazione evolutiva, vengono studiati e sviluppati all’interno del campo dell’intelligenza artificiale. Per fare un esempio, quando si utilizza una mappa online, l’algoritmo ha un numero infinito di percorsi che si possono seguire, ma sceglierà la via più breve o più veloce. In ogni caso, prenderà sempre la decisione più efficiente in base a ciò che viene richiesto.
Vita artificiale
Queste tecnologie perseguono l’ideale della vita artificiale, con la prospettiva della costruzione di robot con l’abilità di ragionare, sostituire e svolgere i lavori che l’uomo non vuole o non può fare. Inoltre, cercano di migliorare la vita degli esseri umani attraverso protesi robotiche che agiscono con la precisione e la velocità che solo i neuroni possono offrire. Un ambito di utilizzo è quello della donazione degli organi. Non esistono limiti nel pensare quali obiettivi si potrebbero raggiungere anche al livello di prevenzione o guarigione di particolari tipi di malattie.
Lo sfruttamento della biomimetica nell’ambito del design computazionale sta entrando nell’ambito ingegneristico, dando vita a dispositivi, concetti e metodi computazionali che competono con quelli più tradizionali, già consolidati. Siamo ancora nella punta dell’iceberg, ma imitando la natura e sfruttando le scienze tecnologiche, stiamo assistendo a cambiamenti importanti nella vita quotidiana. Le ricerche vanno avanti per migliorare la vita dell’uomo, affrontano le questioni della contemporaneità cercando di interpretare i bisogni del futuro. Attraverso le reti neurali probabilmente sarà possibile sperimentare tecniche per il controllo del cambiamento climatico o dispositivi per contrastare malattie oggi incurabili.
Sull’autrice
Maitén Ailén Milicich
Membro del team di Habitium.it e di Materialesdefabrica.com