Scienza

Benvenuti nel mondo delle piante robot

All'Istituto Italiano di Tecnologia di Pontedera si prende spunto dal mondo vegetale per costruire robot mai concepiti primi

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Luca Sciortino

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Il naturale e l’artificiale convivono a breve distanza nei laboratori del Centro di MicroBioRobotica dell’Istituto Italiano di Tecnologia di Pontedera. Si potrebbe addirittura dire “vivono”: infatti, come le piante, i plantoidi crescono, cambiano la loro forma, si adattano all’ambiente esterno; ed è proprio questa caratteristica che li distingue da tutti gli altri robot. Barbara Mazzolai non fa differenze tra pianta e plantoide: li accarezza entrambi come fossero sue creature. D’altronde l’una ha ispirato l’altra nel suo progetto nell’ambito del programma europeo FET (Future and Emerging Technologies). Culminato con la realizzazione del primo robot ispirato alle radici delle piante, questo programma di ricerca le è valso prestigiosi riconoscimenti, tra i quali la Medaglia del Senato della Repubblica Italiana,  il Premio Maria Bellisario e ultimo, il Premio Carla Fendi. Biologa con un Dottorato di Ricerca in Ingegneria dei Microsistemi, tra le venticinque donne più geniali della robotica secondo la piattaforma internazionale Robohub degli esperti del settore, porta avanti una interessantissima linea di ricerca chiamata biorobotica. L’obiettivo è quello di costruire robot capaci di operare con efficacia in ambienti naturali proprio come farebbe una pianta. Una delle “creature” del laboratorio di Mazzolai è proprio il Plantoide, un robot munito di radici artificiali dotate di una parte apicale munita di sensori in grado di misurare parametri importanti nel sottosuolo, dalla presenza di acqua a quella di altre sostanze chimiche. La biorobotica impone interdisciplinarietà, capacità di cogliere le analogie tra un campo e un altro del sapere scientifico e il desiderio di rivalutare il mondo vegetale, da sempre considerato “inferiore” al mondo animale, trovando in esso fonti di ispirazione. Questi sono proprio i tratti che distinguono Barbara Mazzolai da altri scienziati. Il suo libro ”La natura geniale” (Longanesi) offre spunti interessanti a molti lettori: dagli amanti delle piante a quelli dei robot fino a coloro che hanno a cuore la difesa dell’ambiente. Eccone alcuni in questa intervista.


Barbara Mazzolai, lei sostiene che la scienza ha sottovalutato il regno vegetale…

Sì, la maggior parte delle attività di una pianta sono invisibili al nostro occhio. Questo è uno dei motivi per i quali scienziati e pensatori del passato non sono riusciti a cogliere le enormi potenzialità che offrivano alla ricerca. Ma ora che disponiamo degli strumenti adatti ci rendiamo conto dell’incredibile plasticità dei vegetali e di quanto possano essere fonte di ispirazione per costruire robot capaci di aiutare gli esseri umani e l’ambiente.


Ci fa qualche esempio di cosa fanno le piante di tanto stupefacente?

Pensi alla capacità delle radici di “sentire” a decine di metri la presenza di acqua; o di penetrare suoli durissimi; o di valutare se è possibile arrampicarsi lungo un palo; o di scambiare sostanze nutritive con altre piante tramite le radici; o ancora di allungarsi nella direzione della luce; o interagire con i funghi di un bosco; o variare la rigidità del proprio corpo; o comunicare tra loro per difendersi da un erbivoro. Tutte queste sono cose che le piante “fanno” e che sono possibili grazie a processi complessi che non sempre conosciamo bene. Il punto chiave è che le piante si muovono crescendo e in questa maniera si adattano al contesto.


Quindi l’idea è costruire robot capaci di fare altrettanto?

Certo, robot capaci di interagire con il suo ambiente e dunque estremamente adattabili a condizioni critiche. Robot che stanno fuori dalle fabbriche e che possiedono un’”intelligenza” del tutto peculiare … un’”intelligenza vegetale”  

 

…che non è un’intelligenza localizzata in un qualcosa che potremmo definire un “cervello”…

No, è un’intelligenza cosiddetta emergente, che si origina a partire da interazioni fra tutte le parti che compongono una pianta, o un biorobot nel nostro caso. Un po’ come se tante persone insieme fossero capaci di produrre quello che una sola persona non potrebbe produrre. La biorobotica deve ancora comprendere a fondo l’intelligenza delle piante, quella capace di fare le cose che ho appena citato e altre ancora…


Quanta potenzialità ha ancora il regno vegetale per ispirarci nella ricerca robotica?

Siamo ancora all’inizio, come dire che abbiamo esplorato solo il 2 per cento di tutto quello che ci potrebbe suggerire nuove invenzioni. A paragone la robotica bioispirata al mondo animale ha già fatto passi da gigante. Grazie al progetto europeo Growbot, che coordino, vogliamo scoprire novità sul comportamento delle piante rampicanti, e da lì sviluppare robot.


Per non parlare del fatto che potremmo guardare indietro nella storia evolutiva a piante che erano adattate ad altri ambienti…

Certo, le potenzialità sono infinite anche in quella direzione


Quali robot bioispirati avete costruito e che cosa fanno esattamente?

Tra i risultati più importanti del nostro gruppo vi è una radice artificiale che ha una parte apicale munita di sensori di vario tipo. Entra nel terreno e misura parametri fisici come umidità e temperatura o chimici come azoto, fosforo ecc. E’ un robot rivoluzionario perché si muove attraverso la crescita proprio come fanno le piante, anche se in maniera molto più veloce.


Come? 

Nell’apice robotico ha una stampante tridimensionale (3D) in miniatura.


Quali altri robot avete costruito?

Stiamo lavorando a GrowBot, un robot rampicante. Il nostro primo prototipo ha la forma di un viticcio e imita la Passiflora cerulea, il fiore della passione. Quello che vogliamo ottenere è la capacità del robot di riconoscere a quali superfici ancorarsi e a farlo mentre cresce. D’altronde è quello che fanno le piante: una cosa che abbiamo visto è che sfiorano gli oggetti sui quali devono arrampicarsi, come per saggiare la possibilità di farlo. Solo successivamente, se lo ritengono possibile e favorevole energeticamente, iniziano l’arrampicata. Abbiamo anche costruito foglie a base di polimeri plastici che si muovono per interazione con l’umidità dell’aria. E poi c’è un’altra importante scoperta…


Quella che si può generare elettricità con le foglie delle piante?

Esatto, se le foglie queste sono opportunamente stimolate si può generare una tensione fino a 150 Volt. Si deve immaginare la foglia come un condensatore i cui piatti sono lo strato esterno, la cuticola, e lo strato sottostante, l’epidermide. Se tocco la superficie della foglia genero una tensione: è quello che succede quando si elettrizza un maglione di lana nelle giornate fredde e secche. Il problema che resta da risolvere è ottenere una corrente alternata, come quella che abbiamo nelle case.

 

Il movimento delle piante è invisibile: come fate a studiarlo per poi imitarlo?

Con la tecnica fotografica del time-lapse che accelera il movimento.  Ci ha permesso di scoprire come le piante si muovono in risposta a stimoli come gravità, tatto, luce, composizione del terreno, presenza di altre piante. Sono reazioni diverse da quelle degli animali, lente ma efficaci, e quindi grande fonte di ispirazione.

 

Quali applicazioni della biorobotica sono possibili per la salvaguardia del pianeta?

Prima di tutto quella di capire di più l’ambiente che ci circonda, per esempio conoscere la composizione del suolo e dell’aria. Pensi per esempio al fatto che molti cibi che mangiamo provengono da piante coltivate in terreni di cui sappiamo poco. Una radice robot potrebbe fornirci informazioni sull’inquinamento del terreno così da permetterci di decidere se può essere adibito alla coltivazione di prodotti agricoli. In generale, direi che i biorobot offriranno le conoscenze e gli strumenti per fare stare meglio le piante. Siccome queste ultime sono alla base della catena alimentare, significa che se staranno bene loro staremo meglio noi. Aumenterà il livello della salute.


Occorre assorbire anidride carbonica per combattere i cambiamenti climatici. Immagino che su quello dovremo sempre contare sulle piante?

La fotosintesi è un processo complesso attraverso il quale un albero giovane e in forte crescita assorbe anidride carbonica per formare, attraverso la fotosintesi, zuccheri che diverranno biomassa. Il bilancio netto nel ciclo giornaliero è un sequestro di anidride carbonica. Sicuramente questo processo può essere, nelle sue varie fasi, fonte di ispirazione per robot in grado di valutare la composizione dell’atmosfera. Ma resta il fatto che per combattere il riscaldamento globale dobbiamo piantare più alberi e ridurre la deforestazione.


Una scoperta nel campo della robotica che vorrebbe aver fatto lei?

Mi sarebbe piaciuto realizzare il robot-geco, StickyBot sviluppato a Stanford. Questo robot imita le caratteristiche del geco, un eccezionale scalatore che riesce a muoversi su muri e superfici frastagliate e irregolari. StickyBot ha una forma molto simile al geco, con una lunga coda e quattro zampe formate da diversi polimeri, fibre di carbonio e tessuto. Questo robot è in grado di scalare una vasta gamma di superfici a velocità fino a quattro centimetri al secondo. Per realizzare tecnologie ispirate al geco, questi ricercatori hanno anche imitato i microscopici peli dalla struttura gerarchica sulle dita, e la coda che l’animale usa come contrappeso per stabilizzarsi.


Quali applicazioni saranno possibili in medicina?

Le faccio un esempio. Il mio sogno è realizzare un robot bioispirato in grado di adattare la propria morfologia all’ambiente che sta esplorando. In medicina questo plantoide potrebbe essere modificato per funzionare come endoscopio non invasivo. Così una colonscopia diverrebbe molto meno dolorosa e traumatica e molto più precisa.

 

La biorobotica insegna che l’eccessiva specializzazione è uno svantaggio, vero?

Sì, e nel mio libro l’ho fatto notare. Nel mio laboratorio ci sono ricercatori che provengono dalle discipline più disparate: fisici, biologi, ingegneri con diverse specializzazioni, esperti dei materiali. Non sarebbe possibile imitare la natura senza la capacità di essere un po’ tutte queste cose. Questa è un’altra delle lezioni della biorobotica che l’accademia italiana dovrebbe tenere a mente.


Oltre a farci scoprire le cose incredibili che fanno le piante, e che ora fanno anche i robot, il suo libro comunica anche le scoperte di altri scienziati nel settore. E’ più difficile fare la ricercatrice o la divulgatrice scientifica?

Entrambe le cose richiedono molto impegno. Ho fatto un grande sforzo per scrivere in maniera chiara e comprensibili cose che ero abituata a esprimere in termini tecnici. Io credo che uno scienziato abbia il dovere morale di comunicare a tutti quello che impara. Molte persone non hanno rispetto per il mondo vegetale, e quindi per il benessere del pianeta, perché non possiedono conoscenze adeguate.


Qual è il suo albero preferito e perché?

Mi piace molto il pino marittimo perché ha delle radici fortissime in grado di penetrare perfino il cemento e le fondamenta degli edifici. Avrebbe bisogno di ampi spazi liberi: non ama essere prigioniero del cemento ai lati delle strade. Mi piacciono anche i cipressi e gli ulivi perché sono gli alberi tipici della mia terra, la Toscana.











 

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