SOLUZIONI DI DESIGN ISPIRATE DALLA NATURA: PROGETTAZIONE BIOMIMETICA DI MATERIALI E STRUTTURE BIOCOMPATIBILI

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1 SOLUZIONI DI DESIGN ISPIRATE DALLA NATURA: PROGETTAZIONE BIOMIMETICA DI MATERIALI E STRUTTURE BIOCOMPATIBILI Carlo Santulli University of Reading, Centre for Biomimetics c.santulli@rdg.ac.uk

2 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

3 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

4 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)

5 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

6 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

7 ESEMPIO DI APPLICAZIONE Basso peso Telaio di bicicletta Selezione del materiale Protezione utente Biomeccanica Resistenza a fatica Giunzione dei materiali

8 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

9 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)

10 ESEMPIO DI STRUTTURA GERARCHIZZATA Livelli gerarchici di un osso umano

11 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)

12 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

13 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)

14 STRUTTURA DELLE VENATURE NELLE ALI (Zig Zag) La struttura delle venature consente di imprimere una componente di rotazione al volo (pallone ad effetto )

15 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)

16 Nel futuro: libellule artificiali che ispezionano un condotto d acqua (da Rechenberg, 2005)

17 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

18 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...

19 MOVIMENTO DEL VERME: MUSCOLO + PELLE Due elementi: Strutture elicoidali (fibre) Gel poli-elettrolitici (poliacrilamide, polianilina, ecc.).

20 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..

21 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

22 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).

23 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)

24 MODELLO DEL COMPORTAMENTO DELL ATTUATORE A GEL Isometrico (Forza Massima) Accoppiamento movimento assiale e flessione Accoppiamento movimento assiale e rotazione Isotonico (Spostamento Massimo)

25 ESEMPIO DI STRUTTURA MODULABILE E RIPIEGABILE (Kagome) BIO-ISPIRATA Variazione di proprietà acustiche (tetto di auditorium polivalente)

26 COME IN PRATICA SI VARIA LA STRUTTURA Possibile applicazione di attuatori a gel

27 AI LIMITI DELL INTELLIGENZA Design Progettazione Funzioni Natura Domande (Necessità) Meccanica Sensoriale Protezione

28 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.

29 PIGNE APERTE E CHIUSE Orientamento fibre di cellulosa

30 CONTROLLO PASSIVO DI UMIDITA E TEMPERATURA (Pinecone effect) Problema: difficoltà di aumentare lo spessore (numero di strati), mantenendo queste proprietà

31 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.

32 AZIONE DELLE GOCCIOLINE (Lotus effect) Foglie di Nelumbo Nucifera subito dopo la caduta di goccioline di liquido colorato ed alcuni secondi dopo

33 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.)

34 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.

35 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

36 ADESIONE DELLE SETOLE (diagramma di Ashby) Le setole del geco sono un ottimo compromesso tra una ragionevole forza di adesione ed un uso prolungato

37 SETOLE ARTIFICIALI Le setole polimeriche artificiali seguono un processo di fabbricazione mediato tra i microchip e la biomimetica

38 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) -

39 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

40 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

41 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.

42 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)

43 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)

44 FABBRICAZIONE MICROCHIP CON SENSORI BIO-ISPIRATI

45 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

46 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

47 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)

48 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

49 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.

50 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)

51 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

52 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)

53 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.

54 SELEZIONE DELLE FIBRE NATURALI: lista fibre usate per produrre materiali E potenzialmente ce ne sono molte altre

55 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

56 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

57 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)

58 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

59 VANTAGGI DI UTILIZZARE I COMPOSITI A FIBRA VEGETALE IN STRUTTURE Basso peso (circa 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 (?!)

60 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

61 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)

62 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.

63 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

64 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

65 ALTRE POSSIBILITA Ripresa materiali tradizionali (Bambù) Ricerca fibre alternative (formium) Strutture cellulari naturali (nido d ape)

66 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