"Ingegnerizzare" la natura o "naturalizzare" l'ingegneria?

[ Pubblicato il : 29/08/2009 7.31.00 ] Curiosità Ambiente e Natura Ingegneria Natura Nanotecnologie Bioingegneria

Ringrazio il mio caro amico, l'Ing. Leonardo Ricotti "PhD Student in BioEngineering" presso la Scuola Superiore Sant'Anna per avermi inviato questo articolo. Leggetelo con attenzione, avrete una perfetta visione d'insieme sulla scienza che più di tutte va di pari passo con i meccanismi naturali. Esprimete il vostro parere o se volete sapere qualcosa in più commentate con una domanda, Leonardo sarà felice di farvi comprendere il suo meraviglioso campo di studi.

La scienza e la tecnologia hanno subito successivi e rapidi avanzamenti negli ultimi decenni, producendo conseguentemente drastici cambiamenti nello stile e nella qualità della vita, nonché nella psicologia di ognuno di noi.

Uno dei campi maggiormente investiti negli ultimi anni da tale avanzamento è quello della medicina e della biologia (in generale, della scienza applicata alla vita). L'evoluzione della tecnologia, accostata a un crescente interesse analitico nei confronti dei problemi biologici, complessi e spesso non strutturati, ha portato al progressivo sviluppo di tecniche e metodologie ingegneristiche in grado di analizzare, capire, utilizzare e modificare i sistemi biologici, dando luogo al vario e complesso mondo della BIOINGEGNERIA.

Gli ambiti che costituiscono concettualmente questo mondo sono molti, e difficilmente riducibili a un singolo paradigma. Possiamo però considerare la bioingegneria come una disciplina avente un duplice punto di vista e una duplice funzione: da una parte essa ha lo scopo di progettare e sviluppare sistemi artificiali che aiutino diagnosi e interventi chirurgici (ad es. TAC, risonanze magnetiche, robots per chirurgia assistita e per laparoscopia, capsule robotiche per gastroscopia e colonoscopia, etc.) e che supportino o addirittura rimpiazzino alcune parti del nostro corpo (protesi e organi artificiali, valvole cardiache ingegnerizzate, etc.). D'altra parte, la bioingegneria può avere anche la funzione opposta: studiare e modellare i sistemi biologici per imitarli, e per migliorare la tecnologia ispirandosi alla natura (è il caso ad es. della robotica bio-ispirata, delle reti neurali artificiali che tentano di riprodurre i meccanismi di apprendimento cerebrale, etc.). Entrambi questi approcci sono importanti, e vanno di pari passo, influenzandosi a vicenda.

Analizzando più in dettaglio questa dicotomia, possiamo individuare due specifici e ben definiti paradigmi che la rappresentano. Il primo è quello relativo alla bionica, il secondo riguarda i sistemi bio-ibridi.

Lo scopo principale della BIONICA è sostituire parti del corpo umano con strutture e dispositivi artificiali impiantabili che ne riproducano la funzionalità. Esistono molti esempi di questo approccio, dalle protesi d'anca alle mani e braccia artificiali, passando per i dispositivi  impantabili che sostituiscono la retina nell'occhio o la coclea nell'orecchio. Spesso il problema funzionale da risolvere ha un triplice aspetto:

• ricevere lo stimolo esterno dall'ambiente;
• elaborare tale stimolo;
• produrre una corrispondente azione in uscita.

Prendiamo l'esempio della mano artificiale e un "semplice" compito che ognuno di noi fa senza difficoltà ogni giorno: prendere un bicchiere pieno d'acqua, portarselo alla bocca e bere. Anche un task semplice come questo genera immediatamente enormi problematiche tecnologiche: l'eventuale mano artificiale dovrà innanzitutto essere dotata di opportuni sensori, che "capiscano" se e quaqnto la mano è entrata in contatto col bicchiere, quanto deve stringere per sostenere il peso del bicchiere più quello dell'acqua (senza stringere troppo per non rompere il bicchiere), se il bicchiere sta  scivolando o se la presa è stabile, etc... Tutto questo, nelle nostre mani viene fatto da decine di migliaia di meccanocettori, di diversi tipi, che sono dislocati nell'epidermide in differenti concentrazioni per ciascun millimetro quadrato di pelle, in relazione alla diversa funzionalità di ogni zona. Ma i sensori sono solo una parte del sistema, che comprende inoltre l'architettura di controllo (niente di più complesso e funzionale del cervello umano) e il sistema attuativo, che nel nostro caso è costituito da muscoli. L'elettronica digitale e i motori elettrici possono fare molto, e possono permettere delle performances anche eccezionalmente elevate. Ma niente è ovviamente paragonabile a ciò che avviene in natura, anche per la plasticità e la capacità di autoripararsi, caratteristica dei sistemi viventi.

Appare quindi evidente che, in molti casi, il problema biologico da risolvere richiede uno sforzo tecnologico notevole, talvolta troppo grande per le tecnologie attuali e per quelle prevedibili nell'immediato futuro.

L'APPROCCIO BIO-IBRIDO cerca di risolvere questo problema, integrando all'interno del dispositivo artificiale una o più componenti biologiche, sfruttandone le caratteristiche uniche e irriproducibili artificialmente.

La prospettiva di poter sfruttare massivamente cellule e tessuti viventi (coltivati in laboratorio) come sensori, attuatori o fonti di energia è particolarmente attraente, poiché l'organizzazione, la produzione e la manipolazione degli elementi viventi sono coordinate da complessi meccanismi molecolari, raffinati e ottimizzati da milioni di anni di selezione naturale. L'integrazione funzionale di cellule sensoriali o muscolari con strutture inorganiche micro fabbricate e con dispositivi elettronici è molto promettente, in quanto permette di usare alcuni "mattoni" già presenti in natura per realizzare microsistemi artificiali controllabili, autonomi ed evoluti, nonché alimentati non tramite corrente elettrica o carburanti, ma semplicemente dal glucosio presente nei liquidi fisiologici. Tale integrazione richiede ovviamente la biocompatibilità del sistema artificiale, ma anche tutta una serie di trattamenti superficiali e alcuni step di miniaturizzazione, strettamente legati alle NANOTECNOLOGIE e alla realizzazione dei cosiddetti MEMS (micro-electro-mechanical systems) o addirittura NEMS (nano-electro-mechanical systems).

Le comunità scientifiche mondiali stanno facendo grandi sforzi in questa direzione, e presto riusciremo auspicabilmente ad ottenere risultati sorprendenti, utilizzando l'ingegneria per risolvere problemi organici, ma sfruttando allo stesso tempo le funzionalità meravigliose delle strutture biologiche, che la natura ci ha sempre messo a disposizione.

Ad opera di Leonardo Ricotti

Commenti

Ciao Karin.. bhe, sì.. la natura ha dalla sua moltissimo tempo a disposizione, nonchè uno strumento potente e oggettivamente valido, quale la selezione naturale.. Sì, ho lavorato e lavoro con DNA: un pò di tempo fa, in collaborazione con l'Università di Barcellona, abbiamo realizzato un biosensore in grado di rilevare l'ibridizzazione di catene complementari di 80-100 nucleotidi (e quindi in grado di riconoscere tratti specifici di DNA umano o animale), basato sulla "quartz crystal microbalance", una tecnica che accoppia variazioni di massa da rilevare con variazioni nella frequenza di vibrazione di cristalli di quarzo funzionalizzati... Se hai qualche curiosità scrivimi pure all'indirizzo di posta: leor82@alice.it . Ciao ciao..

Inserito da Leonardo Ricotti il Sun, 30 Aug 2009 01:00:55 GMT

Caro Leo,

come dire: la natura ha avuto molto più tempo per trovare le soluzioni giuste, noi siamo troppo giovani per competere anche se non ci manca né il  coraggio né  l’inventiva; a parte, lavori anche col DNA, molecular nano computing, DNA nano structures?

Inserito da karin il Sat, 29 Aug 2009 21:20:28 GMT