Reimmaginare l’Aerodinamica e la Fluidodinamica attraverso la Spugna di Vetro Venus Flower Basket

Le spugne di vetro, comunemente trovate nelle profondità oceaniche, appartengono alla classe Hexacitinellida. Il loro nome deriva dai loro tessuti, che comprendono particelle strutturali simili al vetro fatte di silice. 

Lo scheletro delle spugne di vetro è un meccanismo evolutivo che le aiuta a combattere i predatori delle profondità marine combinandosi in modo intrinseco e organico con varie sostanze chimiche. 

Indubbiamente sofisticate, le spugne di vetro si sostentano aggrappandosi a superfici dure e consumando piccoli batteri e plancton filtrati dall’acqua circostante. 

Alcune specie possono creare spicole significativamente grandi che formano una casa di vetro fondendosi in bellissimi schemi. Queste strutture scheletriche spesso divertono gli scienziati poiché rimangono intatte anche dopo la morte della spugna, e diversi animali delle profondità marine le usano come abitazioni!

La spugna di vetro più conosciuta

Tra tutte le spugne di vetro che vivono in profondità, la Venus Flower Basket, una specie di Euplectella, è particolarmente nota. È evoluta al punto da far sì che il suo scheletro intrappoli una certa specie di crostaceo all’interno per tutta la vita. Questi crostacei si riproducono e la loro prole cerca nuovi fiori di basket propri. Tipicamente, queste spugne fungono da abitazioni permanenti per due piccoli Stenopodidea simili a gamberi, un maschio e una femmina. 

Questa caratteristica di fungere da abitazione naturale per le creature delle profondità marine ha sempre reso la spugna di vetro Venus Flower Basket un animale di grande curiosità. Questa curiosità ha ora portato i ricercatori a scoprire un'altra notevole caratteristica di questi animali: la loro capacità di filtrare il cibo senza pompare.

Controllo del flusso ‘Zero Energia’ naturale della spugna Venus Flower Basket

Una delle straordinarie capacità con cui questi antichi animali nascono è la loro abilità di filtrare il cibo senza pompare, affidandosi esclusivamente alla debole corrente ambientale delle profondità oceaniche. Ma com'è possibile? È ciò che un team di ricercatori dell'Università di Roma Tor Vergata e della NYU Tandon School of Engineering ha esaminato. Utilizzando simulazioni al computer ad altissima risoluzione, hanno analizzato la struttura scheletrica della spugna Venus Flower Basket.I risultati sono, per usare un eufemismo, sbalorditivi. Inoltre, ha mostrato un potenziale straordinario per una moltitudine di applicazioni ingegneristiche. 

Mentre spiegava la natura rivoluzionaria dell'esperimento, Maurizio Porfiri, professore dell'NYU Tandon Institute e direttore del suo Center for Urban Science + Progress (CUSP), che ha co-diretto lo studio e co-supervisionato la ricerca, ha dichiarato:

“La nostra ricerca risolve un dibattito emerso negli ultimi anni: la spugna Venus Flower Basket potrebbe essere in grado di assorbire nutrienti passivamente, senza alcun meccanismo di pompaggio attivo. È un’adattamento incredibile che permette a questo filtratore di prosperare in correnti normalmente inadatte all’alimentazione in sospensione.”

Essenzialmente, questi animali spugna di vetro usano la loro struttura scheletrica unica per deviare le correnti ultra-lente del mare profondo, dirigendo il flusso verso l'alto nella loro cavità corporea centrale. Questo meccanismo filtra il plancton e altri detriti marini dall'acqua di mare, che le spugne usano come cibo. La superficie esterna a spirale e con creste della struttura scheletrica della spugna funziona come una scala a chiocciola, facendo risalire l'acqua attraverso la sua struttura porosa simile a una griglia senza necessità di energia di pompaggio. 

La caratteristica più notevole della spugna di vetro è la sua ventilazione naturale, che funziona perfettamente nella quasi immobilità dei fondali oceanici profondi. Questo è il modo in cui queste specie delle profondità hanno evoluto, adattandosi all'ambiente ostile e assorbendo passivamente il cibo con una corrente estremamente lenta. 

Secondo Giacomo Falcucci dell'Università Tor Vergata di Roma:

“La spugna ha trovato una soluzione elegante per massimizzare l’approvvigionamento di nutrienti operando interamente tramite meccanismi passivi.”

Raggiungere queste straordinarie intuizioni non è stato facile. Ci sono voluti diversi anni perché i ricercatori costruissero strutture adeguate in grado di comprendere il fenomeno nei minimi dettagli.

Le strutture che hanno aiutato la ricerca a raggiungere il suo obiettivo 

I ricercatori hanno utilizzato il supercomputer Leonardo presso CINECA, un consorzio no-profit che ospita il più grande centro di calcolo italiano e uno dei più importanti a livello mondiale. 

Questo potente supercomputer ha aiutato i ricercatori a sviluppare una replica 3D realistica della spugna, con cento miliardi di punti individuali che ricreano la complessa struttura a creste elicoidali della spugna. L'immensa potenza di calcolo di Leonardo ha reso possibile eseguire quadrilioni di calcoli al secondo, simulando un'ampia gamma di velocità e condizioni del flusso d'acqua.

Secondo i ricercatori coinvolti, i risultati dello studio potrebbero portare a molte soluzioni ingegneristiche innovative. Di seguito, riassumiamo un paio di tali idee innovative. 

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Il potenziale di applicazione reale della ricerca

Il precursore di questa ricerca di cui stiamo parlando è uno studio del 2021 condotto dallo stesso team. In quella ricerca, il team ha esaminato specificamente come la spugna Venus Flower Basket potesse migliorare le strutture artificiali. Il team credeva che la sua indagine sul ruolo della geometria della spugna nella risposta al flusso di fluidi avesse molte implicazioni per la progettazione di edifici alti e strutture meccaniche di vario tipo, inclusi grattacieli, strutture a basso drag per navi e persino fusoliere di aeroplani.

Secondo Giacomo Falcucci dell'Università Tor Vergata di Roma, l'esperimento del 2021 sulla spugna di vetro ha aiutato a rispondere a domande come:

“Ci sarà meno resistenza aerodinamica su edifici alti costruiti con una simile rete di creste e fori? Ottimizzerà la distribuzione delle forze applicate?” 

La ricerca attuale, che approfondisce gli aspetti di ingegneria biometrica della spugna di vetro, potrebbe aiutare a progettare reattori più efficienti con schemi di flusso ottimizzati e drag esterno ridotto. 

Seguire i principi di ingegneria interna delle superfici creste e porose della spugna di vetro potrebbe aumentare i sistemi di filtrazione dell'aria e di ventilazione nei grattacieli e in altre strutture. Le creste elicoidali asimmetriche, ad esempio, potrebbero ispirare scafi o fusoliere a basso drag che rimarranno aerodinamici favorendo al contempo il flusso d'aria interno. 

Dal 2021 al 2024, la ricerca sulle spugne Venus Flower Basket è continuata, scoprendo costantemente come questa meraviglia di bioingegneria possa ispirare ulteriori applicazioni nella vita reale. 

Sfruttare la natura come ispirazione di design per i loro prodotti ha aiutato molte aziende a migliorare l'efficienza e introdurre ottimizzazioni. 

#1. Auto Bioniche di Mercedes Benz

Nel marzo 2024, Mercedes Benz, mentre spiegava la filosofia di design alla base di uno dei suoi ultimi modelli, Vision EQXX, ha dichiarato:

“Quando si tratta di costruzioni leggere, la natura è ancora il miglior modello di riferimento: dai pesci scatola al rondone artico – molti animali hanno evoluto forme corporee ottimali e altre capacità che consentono loro di percorrere le rotte migratorie con un consumo energetico minimo. La massima efficienza è stata anche il principio guida del programma tecnologico che ha prodotto la VISION EQXX – sono basate su forme naturali e principi di design bionico.” 

L’azienda ha chiamato la sua filosofia di utilizzo dei materiali bio-ispirati il processo Bionicast. Questo approccio sostiene l’uso del materiale solo dove i percorsi di carico sono necessari. Di conseguenza, gli elementi bionici presentano uno spessore della parete e aperture costantemente variabili che somigliano a uno scheletro. 

L’azienda crede che la filosofia di design bio-ispirato abbia prodotto un prodotto altamente funzionale e compatto, con un peso notevolmente ridotto. Per esempio, i design bionici sul pavimento posteriore dell’auto hanno da soli risparmiato il 15-20% di peso e materiale. Il supporto del motore del tergicristallo ha anche un vantaggio di peso del 20%.

L’auto Bionic di Mercedes-Benz (MBG.DE ), nota per la sua eccellente aerodinamica, è stata presentata a giugno 2005 a Washington, DC. Da allora, ha continuato a evolversi, mantenendo la sua rilevanza e prominenza nella comunità automobilistica. Il processo di sviluppo innovativo di BIONICAST ha vinto il Material Design + Technology Award 2022 nella categoria ‘Best of Process’. Entro il 2039, grazie ai principi di ridotto consumo di risorse e al potenziale di costruzione leggera di Bionicast, Mercedes Benz punta a raggiungere l’obiettivo globale di neutralità carbonica netta lungo l’intera catena del valore nella sua flotta di nuovi veicoli.

Nel 2023, Mercedes Benz ha riportato un fatturato di 153,2 miliardi di euro, un aumento di 3,2 miliardi di euro rispetto ai 150 miliardi di euro del 2022. L’azienda ha registrato un EBIT di 19,7 miliardi di euro e un EPS di 13,46 euro. 

#2. Biohm

Biohm, un’azienda di ricerca e sviluppo pluripremiata, crede nella filosofia di ‘lasciare che la natura guidi l’innovazione’. Come sua missione, l’azienda ha l’obiettivo di ‘armonizzare i sistemi culturali e naturali attraverso la concessione responsabile di biotecnologie rivoluzionarie e scalabili’.

Una delle tecnologie di punta di Biohm sfrutta il potere del Micelio — la struttura filamentosa vegetativa dei funghi. L’azienda utilizza questa tecnologia per produrre soluzioni ad alto impatto e alte prestazioni nello sviluppo di componenti sofisticati come compositi particellari, compositi rinforzati con fibre, materiali monolitici e materiali monolitici simili a polimeri. Questi sono particolarmente adatti per l’uso nei settori dell’edilizia, dei prodotti di consumo o al dettaglio, imballaggi specializzati, interni, mobili e moda. 

Attraverso la sua tecnologia ‘Orb’, Biohm converte alcuni dei flussi di ‘rifiuti’ a più rapida crescita — rifiuti alimentari e agricoli — in prodotti ad alte prestazioni, di valore e funzionali. Questi prodotti possono essere formati in fogli e stampati in forme 3-D intricate e prodotti stampati in 3-D.

Inoltre, Biohm offre un sistema di costruzione prefabbricato che non richiede leganti o fissaggi permanenti, creando strutture robuste e di alta qualità. Ispirato alla geometria matematica dei legami molecolari del carbonio, questo sistema può ridurre l’impatto ambientale di un edificio, i costi e i tempi di costruzione del 120%, 70% e 95%, rispettivamente.  

In uno dei suoi sforzi di biorisanamento rivoluzionari, Biohm, in collaborazione con Waitrose & Partners e Power To Change, ha evoluto quattro ceppi di Micelio in grado di consumare plastica, inclusi Poliuretano (PU), Polietilene (PE), Polistirene (PS) e Poliestere (PET). Sfruttando questa tecnologia incentrata sul micelio, le plastiche possono essere scomposte in zuccheri, idrocarburi benigni e anidride carbonica. Il Micelio consuma gli zuccheri e gli idrocarburi, mentre l’anidride carbonica si trasforma in ossigeno grazie a organismi fotosintetici.

Secondo le stime del settore, la azienda ha raccolto finanziamenti per 1,73 milioni di dollari a oggi. 

Il futuro dell’aerodinamica e della fluidodinamica bio-ispirata

Reimmaginare l’aerodinamica e la fluidodinamica prendendo ispirazione dalla natura ha motivato ricercatori in tutto il mondo. All’Università di Bristol, nel Bio-Inspired Flight Lab guidato dal Dr Shane Windsor, ad esempio, iricercatori hanno investigato una gamma di aspetti di rilevamento e controllo del volo animale e di come potrebbero migliorare le tecnologie ingegnerizzate, specialmente il funzionamento di veicoli aerei di piccola scala senza pilota (veicoli UAV).

Uno dei più grandi marchi al mondo, Lockheed Martin (LMT ), ha tratto ispirazione per il suo Skunk Works dagli scarabei Hercules delle foreste tropicali dell’America Centrale e Meridionale per scurire o schiarire organicamente per corrispondere alla tonalità giornaliera mutevole della foresta pluviale circostante. I ricercatori di Skunk Works credono che imitare questa proprietà possa migliorare la produzione di componenti aeronautici compositi sviluppando sensori attribuibili capaci di avvisare i tecnici quando una struttura complessa è al giusto livello di umidità per passare al passo successivo del processo di produzione.

Secondo Thomas Koonce, responsabile del Portfolio di Tecnologia Rivoluzionaria di Skunk Works, “I sensori di cambiamento colore sarebbero un modo rapido, economico e affidabile per determinare se le condizioni sono corrette per la produzione.” Koonce lo definisce una ‘soluzione a basso costo e a bassa manodopera’.

Al Glenn Research Center della NASA in Ohio, i baffi delle foche da porto hanno ispirato il ricercatore Vikram Shyam a progettare pale di turbina a basso drag per il progetto Advanced Air Transport Technology, che mira a sviluppare un’efficienza energetica rivoluzionaria per gli aerei a ala fissa. 

Allo stesso modo, Isaiah Blankson, senior technologist al Glenn Research Center della NASA in Ohio, è stato ispirato dalla precisione acrobatica dei pinguini nuotatori per sviluppare il programma Low-Boom Flight Demonstration che tenta di ridurre i boom sonici mediante la modellazione aerodinamica.

Trarre ispirazione dalla natura ha aiutato gli esseri umani a migliorare enormemente le loro soluzioni di aerodinamica e fluidodinamica. La saggezza della natura e dei regni animali, affinata in centinaia di migliaia di anni di pratiche evolutive e tattiche di sopravvivenza, offre una ricchezza di conoscenza per soluzioni ingegneristiche migliori, efficienti, a basso costo e sostenibili.

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