Re-Immaginare l’Aerodinamica e la Dinamica dei Fluidi attraverso la Spugna di Vetro del Cesto di Fiori di Venere

Le spugne di vetro, comunemente trovate negli oceani profondi, appartengono alla classe Hexacitinellida. Derivano il loro nome dai loro tessuti, che sono composti da particelle strutturali simili al vetro fatte di silice.

Lo scheletro delle spugne di vetro è un meccanismo evolutivo che aiuta a combattere i predatori degli oceani profondi combinandosi organicamente con vari chimici.

Senza dubbio sofisticate, le spugne di vetro si sostengono attaccandosi a superfici dure e consumando batteri e plancton piccoli filtrati dall’acqua circostante.

Alcune specie possono creare spicole significativamente grandi che formano una casa di vetro fondendosi in bellissimi modelli. Queste strutture scheletriche spesso divertono gli scienziati perché rimangono vive anche dopo che la spugna è morta, e molti animali degli oceani profondi utilizzano queste strutture come case!

La Spugna di Vetro più Conosciuta

Tra tutte le spugne di vetro che abitano gli oceani profondi, il Cesto di Fiori di Venere, una specie di Euplectella, è particolarmente conosciuta. È evoluta abbastanza per intrappolare uno specifico tipo di crostaceo all’interno per tutta la vita. Questi crostacei si riproducono e i loro discendenti cercano nuovi cesti di fiori. Tipicamente, queste spugne servono spesso come case per tutta la vita per due piccoli gamberi, un maschio e una femmina.

Questa caratteristica di funzionare come alloggio naturale per creature degli oceani profondi ha sempre reso la spugna di vetro del Cesto di Fiori di Venere un animale da curiosare. Questa curiosità ha ora portato i ricercatori a scoprire un’altra caratteristica notevole di questi animali: la loro capacità di filtrare il cibo senza pompare.

Controllo del Flusso ‘Zero Energia’ Naturale della Spugna del Cesto di Fiori di Venere

Una delle imprese incredibili che questi animali antichi sono nati con è la loro capacità di filtrare il cibo senza pompare, affidandosi solo alla debole corrente ambientale degli oceani profondi. Ma come è possibile? È questo che un team di ricercatori che lavorano all’Università di Roma Tor Vergata e alla NYU Tandon School of Engineering ha esaminato. Utilizzando simulazioni computerizzate ad altissima risoluzione, hanno analizzato la struttura scheletrica della spugna del Cesto di Fiori di Venere. I risultati sono stati, per dirlo meno, sbalorditivi. Inoltre, avevano un potenziale straordinario per una serie di applicazioni ingegneristiche.

Spiegando la natura innovativa dell’esperimento, Maurizio Porfiri, professore dell’Istituto NYU Tandon e direttore del suo Center for Urban Science + Progress (CUSP), che ha guidato lo studio e supervisionato la ricerca, ha detto:

“La nostra ricerca risolve un dibattito emerso negli ultimi anni: la spugna del Cesto di Fiori di Venere potrebbe essere in grado di attirare nutrienti in modo passivo, senza alcun meccanismo di pompaggio attivo. È un adattamento incredibile che consente a questo filtro di alimentarsi per prosperare in correnti normalmente inadeguate per l’alimentazione sospesa.”

In sostanza, questi animali utilizzano la loro struttura scheletrica unica per deviare le correnti ultra-lente degli oceani profondi, dirigendo il flusso verso l’alto nel loro corpo centrale. Questo meccanismo filtra il plancton e altri detriti marini dall’acqua di mare, che le spugne utilizzano come cibo. La superficie esterna spiralata e scanalata della struttura scheletrica della spugna funziona come una scala a chiocciola, attirando l’acqua verso l’alto attraverso il suo telaio poroso e a maglia senza la necessità di energia di pompaggio.

La qualità più notevole della spugna di vetro è la sua ventilazione naturale, che funziona perfettamente nella quasi immobilità dei fondali oceanici. Questo è come queste specie degli oceani profondi sono evolute, adattandosi all’ambiente ostile e attirando passivamente il cibo a correnti estremamente lente.

Secondo Giacomo Falcucci dell’Università di Roma Tor Vergata:

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

Raggiungere queste intuizioni incredibili non è stato facile. Ci sono voluti diversi anni per i ricercatori per costruire strutture adeguate che potessero capire 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 struttura a scanalatura elicoidale della spugna. La potenza di calcolo immensa di Leonardo ha reso possibile condurre quadrilioni di calcoli al secondo, simulando una vasta gamma di velocità di flusso d’acqua e condizioni.

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

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Il Potenziale di Applicazione Reale della Ricerca

Il precursore di questa ricerca che stiamo discutendo è uno studio del 2021 condotto dallo stesso team. In quella ricerca, il team ha esaminato specificamente come la spugna del Cesto di Fiori di Venere potesse migliorare le strutture create dall’uomo. Il team credeva che la sua indagine sul ruolo della geometria della spugna nel rispondere al flusso di fluidi avesse molte implicazioni per la progettazione di edifici alti e strutture meccaniche di vario tipo, compresi grattacieli, strutture novel a basso attrito per navi e addirittura fusoliere di aerei.

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

“Ci sarà meno resistenza aerodinamica sugli edifici alti costruiti con una lattice di scanalature e fori simile? Ottimizzerà la distribuzione delle forze applicate?”

La ricerca attuale, che va più a fondo negli aspetti di ingegneria biometrica della spugna di vetro, potrebbe aiutare a progettare reattori più efficienti con modelli di flusso ottimizzati e resistenza esterna minimizzata.

Seguendo i principi di ingegneria interna delle superfici scanalate e porose della spugna di vetro potrebbe aumentare i sistemi di filtrazione e ventilazione dell’aria negli edifici alti e in altre strutture. Le scanalature elicoidali asimmetriche, ad esempio, potrebbero ispirare carene o fusoliere a basso attrito che rimangono aerodinamiche mentre promuovono il flusso d’aria all’interno.

Dal 2021 al 2024, la ricerca sulle spugne del Cesto di Fiori di Venere è continuata, scoprendo costantemente come questo prodigio dell’ingegneria biologica potesse ispirare più applicazioni reali.

Sfruttare la natura come ispirazione per i propri prodotti ha aiutato molte aziende a migliorare l’efficienza e a introdurre ottimizzazioni.

#1. Bionic Cars by Mercedes Benz

Nel marzo 2024, Mercedes Benz, spiegando la filosofia di progettazione dietro uno dei suoi modelli più recenti, Vision EQXX, ha detto:

“Quando si tratta di costruzione leggera, la natura è ancora il miglior modello: dai pesci scatola alle sterne artiche – molti animali hanno evoluto forme di corpo ottimali e altre capacità che consentono loro di viaggiare i loro percorsi migratori con il minimo dispendio di energia. L’efficienza massima è stato anche il principio guida del programma tecnologico che ha prodotto il VISION EQXX – che è il motivo per cui parti della struttura del telaio si basano su forme naturali e principi di progettazione bionica.”

L’azienda ha chiamato la sua filosofia di utilizzo di materiali bio-ispirati Bionicast process. Questo approccio sostiene l’uso di materiali solo dove sono necessari i percorsi di carico. Di conseguenza, gli elementi bionici possiedono uno spessore di parete costantemente variabile e aperture che assomigliano a uno scheletro.

L’azienda ritiene che la filosofia di progettazione bio-ispirata abbia portato a un prodotto altamente funzionale e compatto, con un peso significativamente ridotto. Ad esempio, i design bionici sul pavimento posteriore dell’auto hanno risparmiato da soli il 15-20% in peso e materiale. La staffa del motore tergicristallo ha anche un vantaggio di peso del 20 percento.

La vettura bionica Mercedes-Benz, nota per la sua eccellente aerodinamica, ha debuttato nel giugno 2005 a Washington, DC. Da allora, ha continuato a evolversi, mantenendo la sua rilevanza e prominenza all’interno della comunità automobilistica. Il processo di sviluppo innovativo di BIONICAST ha vinto il premio Material Design + Technology Award 2022 nella categoria ‘Best of Process’. Entro il 2039, aiutata dai principi di riduzione dei consumi di risorse e costruzione leggera di BIONICAST, Mercedes Benz mira a raggiungere l’obiettivo generale di neutralità carbonica netta lungo l’intera catena di valore nella sua flotta di veicoli nuovi.

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

#2. Biohm

Biohm, un’azienda di ricerca e sviluppo multi-premiata, crede nella filosofia di ‘lasciare che la natura guidi l’innovazione.’ Come sua missione, l’azienda ha ‘armonizzato sistemi culturali e naturali attraverso la licenza responsabile di biotecnologie innovative e scalabili.’

Una delle tecnologie di punta di Biohm sfrutta il potere del Micelio – la struttura radicale filamentosa dei funghi. L’azienda utilizza questa tecnologia per produrre soluzioni sofisticate e ad alto impatto in componenti come composti particolati, composti rinforzati con fibre, materiali monolitici e materiali polimerici monolitici. Questi sono adatti per l’uso in aree come costruzione, prodotti al dettaglio o retail, imballaggio specializzato, interni, mobili e moda.

Attraverso la sua tecnologia ‘Orb’, Biohm converte alcuni dei flussi di rifiuti in crescita più rapida – rifiuti alimentari e agricoli – in prodotti funzionali e ad alto rendimento. Questi prodotti possono essere formati in fogli e modellati in forme 3D intricate e prodotti stampati in 3D.

Inoltre, Biohm offre un sistema di costruzione prefabbricato che non richiede collegamenti permanenti o fissaggi, 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, il costo e il tempo di costruzione del 120%, 70% e 95%, rispettivamente.

In uno dei suoi sforzi di bioremediation più innovativi, Biohm, in collaborazione con Waitrose & Partners e Power To Change, ha sviluppato quattro ceppi di Micelio che potevano consumare plastica, compresi poliuretano (PU), polietilene (PE), polistirene (PS) e poliestere (PET). Sfruttando questa tecnologia basata sul micelio, le plastiche possono essere decomposte in zuccheri, idrocarburi inerti e anidride carbonica. Il Micelio consuma gli zuccheri e gli idrocarburi, mentre l’anidride carbonica si trasforma in ossigeno attraverso organismi fotosintetici.

Secondo stime di settore, l’azienda ha raccolto finanziamenti di 1,73 milioni di dollari fino ad oggi.

Il Futuro dell’Aerodinamica e della Dinamica dei Fluidi Bio-Ispirata

Riimmaginare l’aerodinamica e la dinamica dei fluidi traggono ispirazione dalla natura ha motivato i ricercatori di tutto il mondo. Al Laboratorio di Volo Bio-Ispirato dell’Università di Bristol, guidato dal dottor Shane Windsor, ad esempio, i ricercatori hanno indagato una serie di aspetti di sensazione e controllo del volo degli animali e come potrebbero migliorare le tecnologie ingegneristiche, in particolare il funzionamento di veicoli aerei senza pilota (UAV) di piccole dimensioni.

Una delle più grandi aziende del mondo, Lockheed Martin, ha tratto ispirazione per il suo Skunk Works dai coleotteri Ercole delle Americhe centrali e meridionali tropicali per organicamente scurire o schiarire per abbinarsi al colore mutevole della giungla circostante. I ricercatori di Skunk Works credono che imitare questa proprietà potrebbe migliorare la produzione di parti composite per aerei sviluppando sensori attribuibili in grado di avvertire i tecnici quando una struttura complessa è al livello di umidità giusto per passare al prossimo passaggio del processo di produzione.

Secondo Thomas Koonce, responsabile del portafoglio tecnologico rivoluzionario di Skunk Works, “I sensori di cambio di colore sarebbero un modo veloce, economico e affidabile per determinare se le condizioni sono corrette per la produzione.” Koonce lo segna come una ‘soluzione a basso costo e a bassa manodopera’.

Al Glenn Research Center della NASA in Ohio, i baffi delle foche hanno ispirato il ricercatore Vikram Shyam a progettare lame di turbina a basso attrito per il Progetto di Tecnologia di Trasporto Aereo Avanzato, che cerca di sviluppare un’efficienza energetica innovativa per aerei a ali fisse.

Allo stesso modo, Isaiah Blankson, tecnologo senior al Glenn Research Center della NASA in Ohio, è stato ispirato dalla precisione acrobatica dei pinguini nuotatori per sviluppare il Programma di Dimostrazione di Volo a Bassa Esplosione che tenta di diminuire le onde soniche con la modellazione aerodinamica.

Trarre ispirazione dalla natura ha aiutato enormemente gli esseri umani a migliorare le loro soluzioni aerodinamiche e di fluidodinamica. La saggezza della natura e dei regni animali, affinata nel corso di centinaia di migliaia di anni di pratiche evolutive e tattiche di sopravvivenza, offre una grande quantità di saggezza per soluzioni ingegneristiche migliori che sono efficienti, a basso costo e sostenibili.

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