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Robotica, il futuro è “soffice”
SILVIA CAMISASCA
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Anche se la nanotecnologia condizionerà la nostra quotidianità più di quanto già – consapevoli o meno – non lo faccia ora, formalmente non vivremo rivoluzioni: continueremo a goderci un gelato ai tavolini di un caffè, forse più gradevole senza il rumore dei motori a scoppio (sostituito dalla vibrazione discreta del motore elettrico, simile a quella delle porte stagne dell’Enterprise di Star Trek), e senza l’odore di benzina, ma con quello a stento percepibile del metanolo delle celle a combustibile. Manterremo il gesto di mance in monete, ma con spiccioli igienici grazie alla protezione di nanoparticelle antibatteriche. Guarderemo il mondo attraverso vetrine resistenti ai graffi che, alla luce intensa dell’ora di pranzo, si scuriranno automaticamente, mentre all’imbrunire la convertiranno in energia elettrica, illuminandosi come lune d’agosto.



Chissà se la mente brillante di quel fisico visionario che fu Richard Feymann intravide già nel 1959 tutto ciò per i propri “nipoti”, quando fondò il concetto di nanotecnologia, avendo intuito la possibilità di controllare la materia e realizzare dispositivi su scala nanometrica. Solo infatti nella miliardesima parte del metro si manifestano proprietà e fenomeni chimico-fisici tali da rendere la materia sfruttabile a specifici scopi. A quasi sessant’anni da allora il compito della nanotecnologia continua essenzialmente ad essere il controllo e la manipolazione consapevole di sistemi dell’ordine di qualche nanometro, come un pugno di atomi, o di qualche migliaio di nanome-tri, come una cellula. Già sul finire del secolo scorso sull’interesse per le nanotecnologie si è nutrito il fiorire di miti sulle potenzialità, spesso illusorie, di nanomacchine, nanorobot, nanomedicine e altre nanoinvenzioni, più o meno astruse, in grado di risolvere i problemi dell’umanità: fu su tale spinta che nel 2000 il governo americano lanciò il programma National Nanotechnology Initiative (tuttora in corso) creando i presupposti di una nuova rivoluzione industriale. 



A qualche decennio di distanza, una silenziosa rivoluzione è già avvenuta e una seconda si sta preparando. L’emblema pervasivo della prima rivoluzione nanotecnologica è sulla bocca e sulle orecchie, si direbbe a ragione, di tutti: ovvero lo smartphone, trionfo di tutti quei nanodispositivi il cui esito più recente prende il nome di “internet delle cose”. Un mondo, cioè, popolato da oggetti – automobili senza conducente, frigoriferi, peacemaker, tosaerba, scarpe da ginnastica – in grado di “sentire” l’ambiente che li circonda, comunicare tra loro e con l’umanità e reagire a stimoli esterni adattandosi all’evolvere delle condizioni. Fare tutto questo per una popolazione di svariati miliardi di individui implica potenze di calcolo impossibili da realizzare semplicemente impacchettando un numero sempre più alto di informazioni via via più “nane”, come prevede la legge di Moore, il co-fondatore di Intel che nel 1965 aveva osservato che il numero di transistor in un chip di computer raddoppiava con cadenza puntuale ogni 18 mesi, a causa dell’inarrestabile spinta alla miniaturizzazione. Ad oggi la legge si è sempre verificata fino a realizzare transistor in circuiti integrati composti da elementi di dimensioni prossimi ai dieci nanometri. 



Ora, però, l’esperienza della nanotecnologia sulla base del paradigma di “internet delle cose” giunge al capolinea, perché sono la stessa meccanica quantistica e la più domestica termodinamica a denunciare i propri limiti per accantonare l’esperienza di Moore. Tuttavia ciò non prefigura il declino della nanotecnologia, ma, al contrario, fornisce la soluzione del futuro, che non consiste più nell’inserire intelligenza nei materiali ma nel crearli ex novo intelligenti, esattamente come prevede Madre Natura. La prerogativa dei sistemi complessi esistenti in natura, capaci di rapportarsi ed adattarsi all’ambiente circostante, è quella di essere strutturati attorno ad unità fondamentali di dimensioni nanometriche – Dna, geni, proteine – organizzati su scale di grandezza crescenti all’aumentare della complessità delle funzioni svolte. Il modello “naturale” originario per eccellenza è l’essere umano, in cui la coesistenza di unità di dimensioni diverse – dal nanomentro al micron – è perfettamente armonizzata e rappresenta una costante per ottenere proprietà e prestazioni più evolute cui le singole parti da sole non basterebbero.



Si pensi alla durezza ed elasticità del legno di bambù dovuta all’interazione di sostanze molli ma elastiche con unità dure ma fragili. Il merito della nanoscienza sta nell’averci messo a disposizione i mattoni fondamentali per comporre sistemi complessi: come assemblare armonicamente i componenti nella loro varietà di dimensioni e natura è ancora materia di ricerca. Ecco allora che dall’organizzazione gerarchica di nanooggetti si formano sistemi nanocompositi in cui i componenti su scala nanometrica sono dispersi in matrici polimeriche, così da sfruttare nuove e sorprendenti proprietà meccaniche e funzionali della materia. Ed ecco immediato su questa strada il proliferare di applicazioni, anche impreviste, nel campo dell’aeronautica, delle protesi “intelligenti” o dell’elettronica indossabile.



L’integrazione di nanomateriali su piattaforme microelettroniche “tradizionali” dà luogo alla realizzazione di sensori per la biomedicina, l’ambiente, per il settore energetico e delle telecomunicazioni: in tale scenario il silicio non basta più, occorre sviluppare elementi in cui funzioni e dimensioni dal nanometro al millimetro coabitino. I nanocompositi in cui le nanoparticelle sono disperse in una matrice presentano caratteristiche inusuali: hanno le proprietà di plastiche, ma possono condurre elettricità come metalli, sono leggeri, ma molto resistenti, variando dimensione a seguito di stimoli esterni come temperatura o luce. I nanocompositi a base di matrici polimeriche, in particolare le gomme, offrono entusiasmanti prospettive in campi in cui è necessario riprodurre o simulare il comportamento di sistemi biologici quali muscoli o nervi: si tratta di elementi “soffici” in grado di modificare le proprie dimensioni per potersi muovere e trasmettere segnali elettrici.



Ad esempio, i conduttori metallici, così come li conosciamo, possono trasportare molto bene elettricità ma non possono deformarsi e non sono “soffici” come i nervi: ecco dunque che l’unicità delle caratteristiche delle nanoparticelle sfocia in formidabili applicazioni. Nel campo della fabbricazione di protesi intelligenti e di impianti per la terapia in casi di disturbi neurologici e traumi spinali si possono impiegare nanocompositi con caratteristiche meccaniche ed elettriche ideali per preservare i tessuti con cui interagiscono ed integrarsi perfettamente agli organismi danneggiati. Da tali impianti alla cosiddetta “robotica soffice” il passo è immediato, progettando elementi dotati di movimento e sensorialità, senza usare ingranaggi, ma ispirandosi ai meccanismi a cui ricorrono piante, insetti, pesci e mammiferi, cioè gli organismi viventi, per muoversi ed interagire con l’ambiente. Analogamente, l’energia necessaria alle funzioni del sistema robotico viene prodotta e distribuita mediante meccanismi che “replichino” il più possibile i processi della natura, come la trasformazione metabolica e l’immagazzinamento per la distribuzione di segnali elettrici nelle reti nervose a bassissime tensioni.



Ciò permette di comprendere meglio come la natura organizza sistemi complessi ed efficaci col minimo dispendio di energia e l’uso sapiente delle risorse. I robot di nuova generazione, proprio perché “soffici”, si adattano con grande facilità agli ambienti più varie nelle situazioni più disparate, possono maneggiare oggetti delicatissimi, senza il rischio di arrecare danni alle persone o agli animali nel loro raggio d’azione. Ancora una volta, guardandoci attorno, troviamo il suggerimento a soluzioni inaspettate: è il comportamento stesso della natura secondo i propri ritmi e con le proprie inesauribili risorse a tracciare la strada maestra.
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