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Biomimetica, nuovi materiali dallo studio delle piante carnivore

Paper dei ricercatori dell’Università di Milano rileva un meccanismo delle piante carnivore che potrebbe trovare applicazioni nella robotica leggera

di A.Mac.

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Paper dei ricercatori dell’Università di Milano rileva un meccanismo delle piante carnivore che potrebbe trovare applicazioni nella robotica leggera


3' di lettura

Le piante carnivore possono essere fonte di ispirazione per nuovi materiali con proprietà meccaniche specifiche, secondo i ricercatori del Center for Complexity and Biosystems dell’Università Statale di Milano. In un articolo recentemente pubblicato su Pnas - e selezionato per la copertina della rivista - hanno analizzato la meccanica con cui una di queste piante, la Drosera capensis, piega le sue foglie attorno agli insetti intrappolati sulla loro superficie appiccicosa per digerirle.

Le piante carnivore hanno affascinato gli scienziati - tra cui Charles Darwin, che ha scritto un libro sull’argomento, “Le piante insettivore”- per molto tempo, ma la maggior parte dell’attività di ricerca si è concentrata sulla biochimica dietro i movimenti delle loro foglie. Ciò ha permesso di identificare un gruppo di molecole, compresi gli ormoni della crescita delle piante, che sono innescati dalla presenza di una preda e, a sua volta, possono indurre la chiusura delle foglie. Tuttavia, come le forze meccaniche eseguano effettivamente un tale processo nella Drosera Capensis è ancora sconosciuto.

Altre piante carnivore attivano i loro meccanismi di cattura immagazzinando energia elastica che viene poi rilasciata attraverso un movimento estremamente rapido, ma non è così che D. Capensis agisce: le sue foglie si chiudono su scale temporali molto più lente (da 20 minuti a tre ore), suggerendo così un diverso meccanismo auto-modellante.

Drosera capensisis, come funziona

I ricercatori hanno studiato questo meccanismo usando gocce di latte di diversi volumi per simulare atterraggi di prede diverse sulla superficie della pianta, quindi hanno quantificato la dinamica meccanica del processo di chiusura applicando una forza di contrasto sulla punta di una foglia fino a quando non si è aperta. Hanno combinato questi esperimenti con un’analisi dettagliata delle proprietà geometriche ed elastiche delle foglie, al fine di costruire un modello affidabile del loro comportamento meccanico e con un esame delle loro caratteristiche microstrutturali e dei segnali biochimici.

I loro risultati hanno mostrato che la flessione delle foglie di D. Capensis è codificata nella loro architettura cellulare, che è in grado di convertire specifici segnali biochimici in una risposta asimmetrica, che a sua volta attiva il movimento di chiusura.

«Quando ho letto ciò che Darwin scriveva sulle piante carnivore, sono rimasta affascinata da come la natura possa creare un macchinario così sofisticato» ha dichiarato Caterina La Porta, professore di Patologia generale al Dipartimento di Scienze e politiche ambientali e uno dei due autori principali dello studio. «Come patologo generale, voglio capire le radici dei processi biologici. Comprendere le piante carnivore è stata un'enorme sfida che mi ha aiutato a chiarire meglio come diversi organismi combinano meccanica e biochimica per raggiungere i loro obiettivi ».

«Il meccanismo alla base dei movimenti nelle piante carnivore potrebbe fornire ispirazione nella progettazione di materiali bioispirati con funzionalità avanzate», ha affermato Stefano Zapperi, professore di Fisica teorica al Dipartimento di Fisica dell’Università degli Studi di Milano, secondo autore principale del paper. «In effetti, in questo studio siamo riusciti a progettare una struttura metamateriale che risponde asimmetricamente a uno stimolo meccanico simmetrico, seguendo i nostri esperimenti sulla Drosera capensis».

Una strategia simile può essere sfruttata per progettare altri metamateriali di modellatura - cioè materiali artificiali con proprietà elettromagnetiche normalmente non disponibili in natura - che potrebbero trovare possibili applicazioni come componenti nella robotica leggera e fornire esempi di design ispirato dalla natura.

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