Gli ingegneri guardano alla natura per trarre ispirazione nella progettazione di soluzioni di filtrazione dell’acqua stampate in 3D

La natura ha sempre ispirato ingegneri, architetti, ricercatori tecnologici e scienziati in tutto il mondo. Gli uccelli hanno ispirato la nostra tecnologia di volo. Gli ecosistemi delle praterie hanno incoraggiato l’umanità a sviluppare sistemi agricoli più sostenibili ed efficienti. I flussi a spirale nei fiori hanno ispirato sistemi di miscelazione dell’acqua efficienti. I semi di bur hanno ispirato il velcro. La lista continua all’infinito!

Ora è stato pubblicato un rapporto scientifico in cui gli ingegneri del MIT mostrano come la tecnica di filtrazione unica del manta volante e le sue strutture specializzate possano ispirare filtri industriali dell’acqua più efficienti. 

Prima di approfondire la scoperta, diamo un’occhiata rapida ai Manta Volanti.

Cosa sono i Manta Volanti?

Detti anche raggi volanti per i loro salti acrobatici, Mobula Rays are creatures with large, flat, diamond-shaped bodies e pinne lunghe che consentono loro di planare nell’acqua – e anche nell’aria. Questi pesci si radunano regolarmente per saltare fuori dal mare e lanciarsi in aria, spesso saltando circa due metri fuori dall’acqua prima di ricadere con uno splash.

Come sottolinea il Museo di Storia Naturale, i Manta Volanti si nutrono filtrando, cioè filtrano il plancton dall’acqua usando la bocca, e i banchi di questi animali si radunano spesso in grandi numeri. Ma in che modo potrebbero ispirare la progettazione di soluzioni di filtrazione dell’acqua stampate in 3D? Ne parleremo nella sezione successiva.

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Seguire i Manta Volanti per la Filtrazione dell’Acqua

L’apparato di filtrazione del Manta Volante assomiglia ai filtri industriali a flusso incrociato ma opera in un regime di parametri diverso. Per colmare il divario tra il flusso incrociato industriale e la filtrazione del Manta, i ricercatori hanno stabilito un quadro universale per il compromesso permeabilità‑selettività in un canale permeabile.

I ricercatori affermano di aver dimostrato con successo che la geometria dei filtri dei Manta è evoluta per trovare un equilibrio che consenta respirazione e alimentazione, e di aver derivato principi di progettazione che vanno oltre i regimi di filtrazione tradizionali. Il risultato è la creazione di dispositivi di filtrazione ispirati al Manta. 

Anche se tutto questo può sembrare un esercizio complesso nel campo della biomimesi, è più semplice seguire il meccanismo se osserviamo i Manta Volanti un po’ più da vicino. I Manta si nutrono nuotando a bocca aperta attraverso regioni oceaniche ricche di plancton e filtrando le particelle di plancton nel loro gozzo mentre l’acqua scorre nella bocca e fuoriesce dalle branchie.

Il fondo della bocca del Manta è rivestito su entrambi i lati da strutture parallele a pettine, chiamate piastre, che aspirano l’acqua nelle branchie del Manta. Sono queste piastre a contenere la chiave della presente ricerca di cui stiamo parlando.

Il team di ricercatori del MIT ha dimostrato che le dimensioni di queste piastre possono consentire al plancton in arrivo di rimbalzare lungo le piastre e penetrare ulteriormente nella cavità del Manta invece di uscire attraverso le branchie. Inoltre, le branchie del Manta possono assorbire ossigeno dall’acqua in uscita, aiutando a respirare simultaneamente mentre si nutre.

Secondo lo studio l’autrice Anette “Peko” Hosoi, la Professoressa Pappalardo di Ingegneria Meccanica al MIT:

“Noi (i ricercatori) dimostriamo che il Manta ha evoluto la geometria di queste piastre per avere la dimensione perfetta che bilancia alimentazione e respirazione.”

I ricercatori hanno ideato un filtro d’acqua in conformità con le caratteristiche di filtrazione del plancton del Manta. Successivamente, hanno esaminato come l’acqua potesse fluire attraverso il filtro dotato di strutture stampate in 3D simili a piastre. I risultati ottenuti da questi esperimenti sono stati trasformati in un progetto di riferimento per i progettisti da utilizzare nell’ottimizzazione dei filtri industriali a flusso incrociato, che sono in gran parte simili nella configurazione a quella del Manta.

Secondo l’autore principale e postdoc del MIT Xinyu Mao:

“Vogliamo espandere lo spazio di progettazione della filtrazione tradizionale a flusso incrociato con nuove conoscenze dal manta.”

Spiegando la natura dell’espansione, il ricercatore ha detto:

“Le persone possono scegliere un regime di parametri del Manta in modo da poter potenzialmente migliorare le prestazioni complessive del filtro.”

Nel loro progetto di filtro ispirato al Manta, il team di ricerca ha creato un filtro semplice. Il design, noto come ‘canale permeabile’, assomiglia a un tubo con fori lungo i lati. Per approfondire la natura del ‘canale’, era costituito da due piastre di acrilico piatte con un leggero spazio tra di esse, permettendo al fluido di fluire attraverso. A un’estremità del canale, i ricercatori hanno posizionato strutture stampate in 3D che imitavano le piastre scanalate all’interno della bocca del Manta.

Hanno testato il setup pompando acqua attraverso il canale a velocità variabili. Hanno aggiunto un colorante per ottenere una visualizzazione efficace del flusso. Quando la portata aumentava, l’acqua creava vortici all’ingresso di ogni scanalatura, impedendo il passaggio delle particelle e spingendole verso il basso nei canali.

Ciò che i Manta tipicamente fanno è nuotare alla velocità giusta per generare vortici che intrappolano anche le particelle di plancton più piccole, permettendo al resto dell’acqua di fluire fuori attraverso le branchie. Questa intuizione diventa la chiave per un progetto ideale volto a ottimizzare i filtri industriali a flusso incrociato, offrendo indicazioni pratiche per migliorare la progettazione dei filtri.

1. Ford

Uno dei marchi automobilistici più venerati al mondo – Ford – ha tratto ispirazione dalle api per progettare una mensola cargo a nido d’ape leggera ma resistente per il suo nuovissimo SUV EcoSport. L’EcoSport di Ford aveva il pavimento cargo regolabile realizzato in nido d’ape di carta riciclata al 100%, aiutando i clienti di SUV compatti a fare di più con meno.

Costruita interamente in carta naturale e colla a base d’acqua, la mensola a nido d’ape da sei libbre era sia ecologica sia sufficientemente robusta da gestire quasi 700 libbre di carico. Originariamente derivata dalle api, la tecnologia biomimetica fu introdotta per la prima volta nella produzione di porte domestiche 50 anni fa. 

Parlando del design ispirato alla natura nelle loro auto, Mike Maxzzella, assistente capo ingegnere dell’EcoSport di Ford, ha detto:

“Il design esagonale del nido d’ape è una testimonianza dell’ingegnosità della natura. Non è solo resistente, è super leggero. I clienti possono far scorrere la mensola in molteplici slot diversi, come una griglia da forno, e persino riporla sul retro dei sedili. Aiuta a rendere l’EcoSport superflessibile nell’uso quotidiano.” 

La mensola dell’EcoSport pesava solo sei libbre. Tuttavia, era valutata per gestire quasi 700 libbre su una superficie di 38,5 pollici per 25,25 pollici. In altre parole, questa mensola può contenere innumerevoli combinazioni di oggetti pesanti, come cinque sacchi di miscela di cemento (94 libbre ciascuno), quattro grandi sacchi di terriccio (40 libbre ciascuno) e otto galloni d’acqua individuali (poco più di otto libbre ciascuno).

Ford è sempre stata un’azienda che ha costantemente cercato la funzione della natura per capire come i suoi prodotti potessero essere migliorati, più efficienti e robusti. Quasi un decennio fa, nel 2015, l’azienda ha iniziato a esplorare la biomimesi in modo organizzato. Aveva annunciato una partnership di ricerca con Procter and Gamble per creare adesivi innovativi con l’assistenza del Biomimicry Institute, un’organizzazione no-profit che promuove l’adozione di soluzioni ispirate alla natura.

Parlando dell’importanza di tali partnership, Beth Rattner, direttrice esecutiva del Biomimicry Institute, ha dichiarato:

“Penso sia fondamentale che qualcuno come Ford dica, ‘Stiamo dedicando i nostri sforzi a questo non solo perché lo riteniamo migliore, più sostenibile, ma così le persone presteranno più attenzione all’organismo naturale nel processo.'”

Nel 2015, l’azienda ha cercato di derivare nuovi adesivi studiando le ventose dei piedi del geco Tokay, che permettono al rettile di correre su soffitti e finestre di vetro. Ford ha visto questa opportunità per aumentare i tassi di riciclo dei suoi veicoli fino al 10%, poiché un adesivo ispirato ai piedi del geco potrebbe consentire al produttore di auto di separare meglio il miscuglio di plastiche e schiume rimasto dopo che un’auto è privata dei suoi componenti metallici.

Secondo Debbie Mielewski, allora responsabile tecnico senior per la ricerca su plastica e sostenibilità presso Ford:

“Se potessimo separarlo, se potessimo identificare diversi flussi al suo interno, avremmo molte più possibilità di poterli utilizzare per applicazioni di alto livello.”

Mentre Ford continua a trarre ispirazione dalla natura, continua a ottenere buone performance dal punto di vista finanziario e dei ricavi. L’azienda ha registrato un fatturato di $46.20B nel trimestre che si è concluso il 30 settembre 2024, con una crescita del 5.47%, portando il fatturato degli ultimi dodici mesi a $182.74B, in aumento del 4.89% su base annua. Nell’anno 2023, Ford Motor Company (F ) ha avuto un fatturato annuo di $176.19B con una crescita dell’11.47%.

2.  The Procter and Gamble Company

Un’altra grande realtà aziendale che è in prima linea nell’apprendere migliori principi di formulazione dei prodotti dalla natura è Procter and Gamble. Nel 2024, Procter and Gamble ha formato una partnership con Basecamp Research, un mappatore della biodiversità genetica per la progettazione di proteine basata sull’IA, per accelerare lo sviluppo di enzimi di pulizia ad alte prestazioni per condizioni di acqua fredda.

La partnership era desiderosa di apprendere dagli organismi adattati a ambienti freddi per progettare nuovi enzimi con prestazioni di lavaggio a freddo migliorate usando l’IA. Parlando dello scopo della partnership e del valore che P&G vuole ricavare, il dottor Philip Souter OBE, senior director della Ricerca e Sviluppo per il bucato presso P&G, ha dichiarato:

“Siamo lieti di collaborare con Basecamp Research in questa iniziativa, lavorando insieme per sviluppare nuove soluzioni combinando la loro visione unica della natura e la capacità dell’IA con la nostra ampia maestria nell’innovazione per offrire un’esperienza superiore al consumatore.”

P&G aveva piani specifici per sfruttare le capacità di Basecamp Research nella comprensione della biodiversità genetica di milioni di organismi in ambienti freddi e usarla per aumentare l’efficacia a temperature di lavaggio più basse, riducendo la necessità di acqua calda — il che è migliore per l’ambiente e per le bollette del riscaldamento.

Procter and Gamble è stata anche ispirata dalla ricerca di Biomimicry 3.8 che ha tratto spunti da serpenti e sanguisughe per progettare detergenti migliori. Biomimicry 3.8 è la principale società di consulenza e formazione professionale al mondo focalizzata sul design e l’innovazione positivi per la natura.

Una delle ricerche di Biomimicry 3.8 ha esaminato il miglioramento dell’efficacia nella rimozione delle macchie dei prodotti per il bucato. Concentrandosi su schemi profondi nel mondo biologico, Biomimicry 3.8 ha identificato 30 strategie biologiche uniche con il potenziale di risolvere la difficile sfida di rimuovere le macchie di sangue dai tessuti. La ricerca ha analizzato il modo in cui serpenti e sanguisughe funzionano, poiché sono tra i numerosi organismi che possono digerire il sangue e sono considerati tra i più difficili da rimuovere.

Questi organismi, insieme a molti altri, hanno offerto preziose lezioni di design per una soluzione con il potenziale di limitare l’uso di cloro, acque reflue e energia nella rimozione delle macchie. Grazie a questa ricerca, il dipartimento R&D di P&G ha spostato tutti i suoi sforzi di ricerca. Il principale scienziato Yousef Aouad ha affermato che il lavoro ha fornito al team un modello di macchia di sangue con una comprensione concettuale dei passaggi sequenziali per eliminare le macchie di sangue.

“Ma soprattutto, il modello ora spiega retrospettivamente: Perché i nostri enzimi attuali non riescono a svolgere il loro compito sulle macchie di sangue?”

– Yousef Aouad

Imparare dalla natura e trarre costantemente ispirazione da essa ha significato una crescita sempre maggiore dell’offerta dell’azienda e della diversità della sua gamma di prodotti. Il fatturato dell’azienda ha registrato una crescita costante delle vendite nette. È passato da US$71 billion in 2020 a US$84 billion in 2024. Il reddito operativo è anche aumentato da US$15.7 billion a US$18.5 billion.

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Il Futuro dei Design Ispirati alla Natura

Le aziende stanno diventando sempre più interessate a trarre ispirazione dalla natura poiché i loro design sono sostenibili, ecologici, capaci di ottimizzare le risorse disponibili e sufficientemente flessibili da adattarsi a diverse condizioni climatiche. 

Una delle imitazioni più recenti e molto popolari della natura nel design e nell’ingegneria è stata quando Mercedes Benz ha sviluppato la Bionic Car, traendo ispirazione dalla grande resistenza strutturale e dal basso peso del pesce scatola. È stato riportato che l’auto riduce la resistenza aerodinamica mostrando livelli significativi di rigidità, peso ridotto e consumo di carburante notevolmente inferiore rispetto alle auto tradizionali. 

In Giappone, il design dei treni proiettile è stato ispirato dal martin pescatore. Maestri nel viaggiare tra i mezzi dell’aria e dell’acqua, con pochissimo spruzzo, questi treni hanno ispirato il design del treno proiettile Shinkansen con un lungo muso a forma di becco. Il design ha ridotto significativamente il rumore prodotto dal treno, ha consumato il 15% in meno di elettricità e ha viaggiato il 10% più veloce rispetto a prima.

Quasi due decenni fa, un altro gruppo di ricercatori del MIT ha prodotto un nuovo materiale in grado di catturare e controllare piccole quantità d’acqua. Il design è stato ispirato da uno scarafaggio grande quanto una moneta da dieci centesimi. Il materiale combina una superficie superidrofobica (repellente all’acqua) con protuberanze superidrofile (attrattive all’acqua) che intrappolano le gocce d’acqua e controllano il flusso dell’acqua. 

Le potenziali applicazioni per il nuovo materiale includono la raccolta d’acqua, la realizzazione di un laboratorio su chip (per diagnosi e screening del DNA) e la creazione di dispositivi microfluidici e di raffreddamento.

La storia della biomimesi è antica quanto la civiltà umana stessa. Gli esempi non si trovano solo nell’ingegneria ma anche nell’architettura. In architettura, la biomimesi si esprime nella progettazione di edifici più sostenibili ed efficienti, in armonia con la natura. Spesso chiamate architetture biomimetiche, questi edifici traggono ispirazione dalla natura per diventare energeticamente efficienti, bioclimatici, sostenibili, adattivi, resilienti e sostenibili. 

Tuttavia, per rendere la biomimesi un processo più efficiente, gli strumenti devono diventare più efficaci. Secondo i designer, sebbene non manchi la scelta di strumenti di biomimesi, la maggior parte di essi aiuta i progettisti a generare concetti e a mappare questi concetti dal campo della biomimetica alle potenziali applicazioni, ma questi strumenti offrono pochi consigli pratici su come tradurre i concetti biologici in prototipi producibili.

Tuttavia, si è registrato un notevole aumento degli investimenti in tecnologie che ci aiutano ad adottare design basati sulla natura nelle nostre applicazioni quotidiane. Secondo le stime, il mercato globale della tecnologia biomimetica potrebbe crescere da 6,8 miliardi di dollari nel 2017 a 18,5 miliardi di dollari nel 2028. 

Nei primi tempi, lo scopo della tecnologia e delle macchine era semplificare la nostra vita automatizzando compiti ripetitivi e iterativi. Oggi, la tecnologia deve essere orientata alla sostenibilità, in modo da utilizzare le risorse disponibili con giudizio e lasciare il minor impatto possibile sul nostro pianeta in termini di emissioni di carbonio.

I design ispirati alla natura potrebbero essere un ottimo modo per rendere la tecnologia più efficiente in questo senso. Questa caratteristica del design ispirato alla natura aiuterà a ottenere più attenzione e investimenti nei prossimi giorni.

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