Dal velcro ai treni proiettili, la natura ha ispirato alcune delle imprese più impressionanti dell'innovazione umana. Quest'estate un robot sottomarino simile a un granchio, sviluppato da scienziati coreani, cercherà antichi manufatti nel Mar Giallo. I droni stanno imitando i movimenti di volo di uccelli e api. E il nostro futuro biomimetico sembra brillante.
Una manciata di ricercatori è ora alle calcagna di una nuova creazione: la pelle sintetica.
Gli animali marini usano la loro pelle per aiutare a navigare e sopravvivere al loro ambiente. I delfini che vivono in acque fredde in realtà hanno una pelle spessa per isolare i loro corpi e rimanere caldi. La pelle ricoperta di ventosa dei polpi non solo contiene milioni di nervi che li aiutano a percepire e afferrare le prede, ma sono anche incorporate con cellule uniche che cambiano colore che possono renderle invisibili ai predatori. Le protuberanze della pelle che allineano le pinne pettorali delle megattere aumentano il galleggiamento dell'animale. Quindi, gli scienziati vedono il potenziale.
Utilizzando la stampa 3D e la tecnologia di modellizzazione computerizzata, i ricercatori stanno sviluppando una pelle di animale marino artificiale ma realistica per l'uso in qualsiasi cosa, dalle maniglie delle porte antimicrobiche ai robot subacquei. George Lauder, un ittiologo presso l'Università di Harvard a Boston, e il suo team hanno sviluppato la prima vera pelle di squalo artificiale con l'aiuto di una stampante 3D di fascia alta.
Tentativi precedenti riguardavano stampi in gomma e tessuto e i ricercatori hanno faticato a produrre materiale con componenti sia morbidi che duri. I costumi da bagno ispirati alla pelle di squalo hanno fatto colpo alle Olimpiadi del 2008, ma il team di ricerca di Lauder ha effettivamente scoperto che il materiale in abiti come Fastskin II di Speedo non imita veramente la pelle di squalo o riduce la resistenza, perché manca di dentelli.
Gli squali possono nuotare ad alta velocità attraverso le acque dell'oceano grazie a piccoli dentelli simili a denti che coprono la loro pelle setosa. "Questo risulta essere una caratteristica molto critica delle prestazioni della pelle di squalo durante il nuoto", afferma Lauder. Si potrebbe pensare che una pelle più liscia sia migliore per la velocità. Ma, aggiunge, "In realtà è bello essere ruvidi, avere una superficie ruvida di un certo tipo quando si desidera muoversi attraverso un ambiente fluido, acqua o aria, nel modo più efficiente possibile".
Usando uno scanner micro-CT, il team di Lauder ha scansionato la vera pelle di squalo mako. Dalla scansione, hanno creato un modello 3D e inviato il modello a una stampante 3D, che ha realizzato un materiale polimerico plastico con una base morbida ricoperta da strutture simili a dentini duri. Il prodotto finale ha la sensazione di carta vetrata della pelle di squalo. In una vasca nel loro laboratorio, i ricercatori hanno testato la pelle artificiale e hanno scoperto che ha aumentato la velocità del 6, 6% e ridotto il dispendio energetico del 5, 9% rispetto a una pinna in plastica liscia senza dentelli.
Un'immagine molto ingrandita dei motivi del denticolo trovati sulla testa di uno squalo mako. (Immagine: Johannes Oeffner, Li Wen, James Weaver e George Lauder) 
I denticoli sulla testa di uno squalo. (Immagine: Johannes Oeffner, Li Wen, James Weaver e George Lauder) Dentelli di pinna di squalo (Immagine: Johannes Oeffner, Li Wen, James Weaver e George Lauder) 
Schemi del denticolo sul tronco di uno squalo mako (Immagine: Johannes Oeffner, Li Wen, James Weaver e George Lauder) "Se potessi realizzare un costume da bagno con la struttura di dentelli o squame di pelle di squalo su una superficie flessibile che potresti indossare ed era relativamente simile a una muta integrale, migliorerebbe davvero le tue prestazioni di nuoto", afferma Lauder. Ma questo nuovo materiale non è del tutto pronto per la prima serata. "Sarebbe molto, molto impegnativo al momento integrare questo tipo di struttura in qualsiasi tipo di tessuto", aggiunge. È un'impresa per il prossimo decennio.
Un materiale simile alla pelle di uno squalo potrebbe anche servire da linea di difesa contro il biofouling o l'accumulo di alghe e cirripedi sul fondo delle navi. La maggior parte della vernice antivegetativa è tossica, quindi la pelle di squalo artificiale potrebbe fornire un'alternativa ecologica. Nel 2005, i ricercatori tedeschi hanno sviluppato un materiale siliconico, ispirato alla pelle di squalo, che ha ridotto del 67% l'insediamento di cirripedi. Quindi, nel 2008, l'ingegnere Anthony Brennan ha adottato un approccio simile, creando un materiale chiamato Sharklet che ha una struttura simile a un denticolo e impedisce l'85% della normale adesione delle alghe su superfici lisce. Sharklet è stato applicato anche a dispositivi medici e superfici ospedaliere. Negli ospedali e persino nei bagni pubblici, i batteri possono diffondersi facilmente da persona a persona, quindi rivestire queste manopole e attrezzature di una porta in un materiale resistente ai batteri potrebbe ridurre le infezioni.
I ricercatori della Duke University nella Carolina del Nord hanno anche sviluppato un materiale antivegetativo che si contrae o si increspa come la pelle di un animale (in questo caso, la contrazione di un cavallo al tocco di una mosca potrebbe essere la migliore analogia) quando stimolata. Un altro gruppo dell'Imperial College di Londra sta cercando di creare un materiale per tubi rivestito di protuberanze microscopiche e sostanze chimiche che respingono l'acqua, ispirata alla pelle dei delfini.
Dal punto di vista del design, la pelle di squalo potrebbe anche essere utilizzata per rendere le ali degli aeroplani più efficienti dal punto di vista energetico - un'applicazione che Lauder ritiene utile in futuro. L'aggiunta di strutture simili ai denticoli agli aerei potrebbe ridurre la resistenza. Lungo linee simili, le pinne pettorali di balene hanno già ispirato i disegni delle ali di elicotteri.
Forse l'uso più eccitante di questi materiali, tuttavia, risiede nel campo di sviluppo dei robot subacquei di ispirazione bio. "Avremo nuovi tipi di robot subacquei con corpi flessibili che si muovono come un pesce", afferma Lauder. Diversi robot per pesci alimentati a batteria sono in lavorazione e, logicamente, l'aggiunta di finte pelle di squalo potrebbe aumentare la velocità e l'efficienza energetica. Lauder e il suo team stanno collaborando con i ricercatori della Drexel University di Filadelfia su un robot per pesci. Da allora hanno ampliato i loro studi sulla meccanica della pelle per esaminare anche varie specie di pesci e vedere come le diverse forme e modelli di scala influenzano il nuoto.
Con la stampa 3D, gli scienziati saranno in grado di imparare ancora di più su come il denticolo o i modelli di scala su un pesce influenzano le forze di nuoto. “È possibile modificare la spaziatura [dei denticoli]; puoi farli due volte più distanziati. Puoi scaglionarli, farli sovrapporre, farli non sovrapporsi e apportare molte modifiche per iniziare a stuzzicare effettivamente le caratteristiche chiave della pelle di squalo ", afferma Lauder. Questi esperimenti aiuteranno gli scienziati a perfezionare le pelli artificiali.
"Questo è un campo in rapida crescita al momento", afferma George Jeronimidis, ingegnere presso l'Università di Reading nel Regno Unito "Stiamo appena iniziando a capire quanto sia integrata e funzionale la pelle delle creature marine".
Il laboratorio di Jeronimidis ha sviluppato la pelle di polpo artificiale. La pelle di polpo ha una sua serie di complessità: è morbida, flessibile e piena di milioni di neuroni sensoriali che aiutano l'organismo a navigare nel suo ambiente. La versione sintetica dell'ingegnere è costituita da fibre di nylon incorporate nella gomma di silicone, che mantengono la pelle flessibile ma resistente allo strappo. Ha anche ventose, sebbene siano passive: un vero polipo può manipolare ogni ventosa individualmente.
Mentre c'è ancora molto lavoro da fare, in futuro, i robot subacquei potrebbero essere dotati della velocità di uno squalo o dell'intelligenza sensoriale di un polpo. E, con una sofisticata pelle artificiale, potevano avventurarsi dove gli umani non possono - dalla navigazione nelle acque torbide delle fuoriuscite di petrolio alla ricerca di relitti di aeroplani, forse anche all'esplorazione delle profondità più profonde dell'oceano.
