Indossare il futuro: esoscheletri, superpoteri e lezioni dalla natura

L’aragosta non è la sola, in natura, a vantare questo accessorio: sono tante infatti le specie che ne sono dotate. Ne sono un esempio gli artropodi, che includono insetti, aracnidi (ragni e scorpioni), i crostacei (come granchi, gamberetti e aragoste) e miriapodi (centopiedi e millepiedi). Anche alcune specie di molluschi, come i gasteropodi (es. lumache), hanno una forma di esoscheletro che si trova sotto forma di conchiglia.

L'esoscheletro negli organismi naturali è principalmente costituito da chitina, una lunga catena di polisaccaridica che fornisce sia flessibilità sia resistenza. Si tratta di un polimero composto da unità di uno zucchero semplice chiamato N-acetilglucosamina, simili alla cellulosa che si trova nelle pareti cellulari delle piante. Oltre a questo, l'esoscheletro può contenere varie altre sostanze che contribuiscono alla sua resistenza e alle sue proprietà protettive. Tra queste, troviamo le proteine, che si legano alla chitina per formare un complesso allo scopo di conferire ulteriore forza e resistenza meccanica dell'esoscheletro, ma anche minerali come il carbonato di calcio, che conferisce una maggiore durezza e robustezza. Inoltre, può contenere anche contenere pigmenti, che contribuiscono alla colorazione dell'organismo, utili per il camuffamento, la termoregolazione, la comunicazione intra-specie e la protezione dai danni UV.

La composizione esatta dell'esoscheletro può variare significativamente tra le diverse specie, adattandosi alle esigenze specifiche e all'ambiente di ogni organismo, ma ciò che è importante è la molteplicità e l’importanza delle funzioni che svolge.

Per prima cosa, ovviamente, l’esoscheletro fornisce un supporto strutturale rigido su cui si ancorano i muscoli, consentendo movimenti complessi e coordinati. Questo è fondamentale per la locomozione e per altre attività come la cattura delle prede o la fuga dai predatori. Svolge, per intenderci, la stessa funzione del nostro scheletro fatto di ossa, che però si trova all’interno del corpo. Molto importante, inoltre, è la protezione dell'organismo da lesioni fisiche, predatori, e stress ambientali, nonché l’impermeabilità, in quanto riduce la perdita di acqua attraverso la superficie corporea, una caratteristica essenziale per la vita in ambienti secchi. E dato che si è parlato di pigmenti, anche le funzioni di mimetizzazione e camuffamento, che aiutano l'organismo a evitare i predatori o sorprendere le prede, sono molto importanti, così come il fatto che alcune colorazioni vivaci o strutture elaborate possono servire a fini di comunicazione intra-specifica, come il corteggiamento o la dimostrazione di vigore fisico.

 

L’osservazione delle affascinanti strutture presenti tra le specie in natura ha sempre dato spunto all’uomo per inventare soluzioni che potessero adattarsi anche alle proprie esigenze. Per quanto concerne gli esoscheletri, oltre a farci sognare con le gesta di Iron Man e di altri personaggi presenti su grandi schermi, videogiochi e fumetti, si è sviluppata nel tempo una vera e propria linea di sviluppo tecnologico che guarda a questa struttura vedendo grandi opportunità in diversi ambiti.

Gli esoscheletri stanno emergendo infatti come una delle tecnologie più promettenti all'intersezione tra ingegneria biomedica e meccatronica, promettendo di rivoluzionare non solo il settore medico ma anche quello industriale, militare e oltre. Questi dispositivi esterni indossabili sono progettati per integrarsi perfettamente con il corpo umano, migliorandone le capacità e fornendo supporto laddove la funzione fisica è limitata o deve essere potenziata.

Nel campo della medicina riabilitativa, per esempio, gli esoscheletri hanno dimostrato un potenziale straordinario, specialmente nel trattamento di pazienti affetti da paralisi o da gravi lesioni motorie: possono accelerare il processo di recupero, facilitando la riacquisizione della mobilità e la riconnessione dei percorsi neurali danneggiati. La tecnologia dietro questi sistemi sta diventando sempre più sofisticata, con l'integrazione di sensori che monitorano il movimento in tempo reale e algoritmi di apprendimento automatico che adattano il supporto alle esigenze specifiche dell'utente.

Nell'ambito industriale, invece, gli esoscheletri promettono di ridurre il rischio di infortuni sul lavoro, in particolare in quei settori dove il sollevamento di carichi pesanti è una prassi comune. Fornendo supporto fisico, possono alleviare lo stress su schiena e articolazioni, riducendo la fatica e migliorando la sicurezza e l'efficienza dei lavoratori. La sfida principale in questo contesto è lo sviluppo di dispositivi che siano non solo efficaci ma anche comodi e pratici da indossare per periodi prolungati, senza compromettere la libertà di movimento.

Un altro aspetto cruciale è il miglioramento dell'interfaccia uomo-macchina, con l'obiettivo di creare un'esperienza utente il più naturale e intuitiva possibile. L'avvento delle interfacce cervello-computer apre possibilità affascinanti in questo senso, permettendo potenzialmente agli utenti di controllare gli esoscheletri con il solo pensiero, una tecnologia che è ancora nelle sue fasi iniziali e richiede notevoli progressi prima di poter essere implementata su larga scala.

 

Quindi potremo presto diventare Iron Man? No, ma ci sono alcuni esempi interessanti di esoscheletri che ad oggi hanno raggiunto un buon livello di sviluppo.

Uno di questi è stato sviluppato da un’azienda giapponese: utilizza sensori che rilevano segnali bioelettrici sulla superficie della pelle, che sono poi utilizzati per controllare i movimenti del dispositivo. E’ stato utilizzato in vari contesti, dalla riabilitazione dei pazienti con disabilità motorie all'assistenza ai lavoratori in compiti che richiedono sollevamento pesante. Un altro esempio è esoscheletro riabilitativo progettato specificamente per le persone paralizzate, che permette agli utenti di stare in piedi, camminare e salire le scale attraverso movimenti controllati dai movimenti del torso dell'utente e oggi è uno dei primi dispositivi di questo tipo disponibili commercialmente per l'uso individuale.

Nonostante si stiano facendo notevoli progressi tecnologici nel campo degli esoscheletri, ci sono ancora diversi aspetti che necessitano di miglioramenti per rendere questa tecnologia più accessibile, efficace e integrata nella vita quotidiana delle persone.

Uno dei maggiori ostacoli all'adozione diffusa degli esoscheletri è il loro elevato costo, rendendone l’accessibilità molto limitata: l’innovazione, infatti, si sta concentrando su strategie che possano ridurre significativamente i costi di produzione e manutenzione.

Inoltre, il peso e l’autonomia energetica sono al momento ulteriori fattori limitanti, oltre all'aspetto dell’interfaccia tra utente e controllo, che deve essere il più intuitiva e naturale possibile, andando di pari passo anche con la sicurezza e l’affidabilità, specialmente quelli utilizzati per supporto medico o in ambienti lavorativi rischiosi.

Migliorare questi aspetti richiede sempre di più un approccio multidisciplinare che unisca competenze in tanti settori diversi: dall’ingegneria meccanica, elettronica, informatica alle neuroscienze e biomeccanica, oltre a un dialogo continuo con gli utenti finali per comprendere a fondo le loro necessità e preferenze e produrre soluzioni il più possibile personalizzate. Se non è un superpotere questo!

 

Proponi alla tua classe una ricerca sulle soluzioni innovative che si ispirano alla natura e che vengono utilizzate per diverse applicazioni, cercando un parallelismo tra la funzione che viene svolta in natura e quella che è stata identificata dall’uomo per migliorare gli aspetti della realtà quotidiana.

 

Immagine di copertina - Nephropidae di Corbari L.