Science, 12 Feb 93, Vol. 259, pg. 893 - John Travis - Smart polymer gel: ricercatori del MIT hanno scoperto dei particolari polimeri in forma gelatinosa capaci di gonfiarsi o contrarsi in risposta a stimoli quali la luce, il pH, la temperatura o il campo elettrico. Si tratta di lunghe catene di molecole che formano una struttura a matrice contenente acqua. La risposta è molto rapida, dell’ordine di millisecondi e le forze che si generano sono utilizzabili per sensori, muscoli artificiali per robot o protesi. La variazione di conduttanza con la tensione può essere utilizzata per diodi biocompatibili, mentre le variazioni delle proprietà ottiche con la tensione possono avere un ruolo nella tecnologia dei display.
Science, 31 Mar 95, Vol. 267, pg. 1922 - Karen Celia Fox - Il metodo più usato per preservate le proteine dei prodotti farmaceutici dalla degradazione è l’essicazione ed il raffreddamento: a temperatura ambiente 18 mesi di tempo di conservazione sono un massimo. Certi organismi come gli artropodi sopravvivono in condizioni estreme di freddo ed aridità portandosi in uno stato sospeso e ricoprendosi di uno strato vitreo di zuccheri. La reidratazione riporta in vita l’organismo. Lo zucchero può essere un agente stabilizzante per portare le proteine in uno stato vitreo che li preserva dalla degradazione anche ad alta temperatura. Questa tecnica è sotto indagine per risolvere uno dei più grossi problemi delle compagnie farmaceutiche.
Science, 18 Jun 99, Vol. 284, pg. 1937 - Robert Dudley - La varietà degli insetti è enorme in natura ed il meccanismo con cui generano le forze aerodinamiche necessarie al volo sono complesse e diverse. Date le loro dimensioni la viscosità dell’aria esercita un’influenza predominante ed ogni confronto va fatto a parità di numero di Reynolds (rapporto fra forze di inerzia e forze di viscosità). In ogni caso il volo degli insetti e degli uccelli è qualcosa di diverso da quello degli aerei fondato sullo stato stazionario del movimento dell’aria rispetto alle ali aventi un orientamento fisso. Le ali degli insetti e degli uccelli cambiano velocità ed angolo di attacco durante il battito e violano quindi ogni assunzione di stato stazionario. La Drosophila (mosca della frutta) è servita come modello biologico ed è stato realizzato un modello in grande scala (25 cm) con ali mosse meccanicamente e capaci di assumere le geometrie dell’insetto reale; il tutto è immerso in un olio minerale viscoso che ha un numero di Reynolds pari a quello del piccolo insetto nell’aria. Negli insetti la transizione del moto dell’ala verso l’alto e verso il basso è accompagnata da una sostanziale rotazione sul suo asse longitudinale ed il modello ha rivelato dei picchi di forza ascensionale alla fine di ognuna di queste fasi molto superiori a quelli predetti dal modello di stato stazionario. Quando l’ala ruota, inoltre, dei vortici si propagano a spirale verso l’estremità e sono come dei pacchetti di energia che l’insetto, con una giusta temporizzazione nel ciclo del battito dell’ala, recupera in gran parte producendo un altro sostanziale contributo al sostentamento e può generare anche forze negative utili alle manovre. Le ali degli insetti sono estremamente flessibili e gli effetti aerodinamici di questa flessibilità sono molto efficaci durante le manovre quando le due ali sono mosse in modo asimmetrico; anche l’uso di 4 ali invece che 2 porta ad una maggiore manovrabilità.
Science, 3 Sep 99, Vol. 285, pg. 1472 - Sunny Bains - La mosca domestica viene studiata dai neurobiologi da più di 30 anni per capire come il suo piccolo cervello processa le informazioni visive per convertirle in comandi di volo per aggirare gli ostacoli a grande velocità. Ora gli scienziati hanno realizzato un robot rudimentale modellato sul sistema visuale della mosca che interagisce con il mondo circostante. I fotoricettori della mosca sono collegati ad una cellula chiamata Elementary Motion Detector (EMD) che compara il segnale con quello degli elementi vicini, se il segnale di questi è ritardato decide che proviene da una sorgente che si muove nella direzione della differenza. Un secondo strato di cellule detto Horizontal System (HS) raccoglie tutte le uscite delle EMD e le somma per produrre i comandi di volo. Questo sistema è stato riprodotto con circuiti integrati ed applicato ad un robot che si muove in un piano. Il vantaggio sta nell’estrema semplicità del sistema che non impiega complessi calcoli digitali e chiude il loop con un processo analogico con consumo di potenza estremamente ridotto.
Science, 7 Apr 2000, Vol. 288, pg. 100 - Michael H. Dickinson - La locomozione degli animali nel proprio ambiente è guidata e condizionata dalla loro morfologia e psicologia ed è il prodotto della pressione dell’evoluzione. Benché sia possibile decomporre la meccanica della locomozione in una successione di operazioni, dal cervello ai muscoli, allo scheletro ed alla reazione con l’ambiente esterno, il movimento va visto nel suo insieme. Negli ultimi anni lo studio sperimentale e dei modelli di locomozione ha permesso la comparazione di una grande varietà di animali. La dinamica della locomozione si basa su pochi semplici meccanismi, i tipi di locomozione sono legati all’ambiente esterno, il controllo della locomozione è insieme neurale e meccanico ed infine i muscoli compiono funzioni diverse. Il moto risulta dall’applicazione di forze variabili nel tempo ed in direzione, il corpo subisce oscillazioni ed ondulazioni e procede ad impulsi anche quando il suo moto è in media costante. Quando un animale cammina il corpo oscilla come un pendolo invertito trasformando ciclicamente energia cinetica e potenziale, quando l’animale corre, invece, le gambe funzionano come molle accumulando energia elastica nella fase frenante e producendo una reazione nella fase propulsiva. Durante il moto si generano forze laterali che sono importanti per la stabilità e la manovrabilità. Gli animali che nuotano e volano producono vortici nel fluido in cui si muovono e da questi traggono la dinamica del movimento; uccelli ed insetti devono anche produrre una forza ascensionale che li sostiene anche da fermi, per questo il battito dell’ala è combinato con la sua rotazione opportunamente sincronizzata con cui recupera energia dai vortici. La generazione dei moti di locomozione è controllata strettamente dai neurosensori e guidata da occhi, naso e orecchie ed organi dell’equilibrio verso una specifica direzione evitando ostacoli e pericoli. I muscoli possono agire come motore, freno, molla o trasmissione rigida.
Science, 10 Dec 2004, Vol. 306, pg. 1899 - Ulrike K. Müller and Davi Lentink - Gli scienziati ritengono che gli insetti siano maestri nel volo non convenzionale, ma sembra che anche gli uccelli usino gli stessi accorgimenti. Si è scoperto che il rondone, cacciatore a volo di insetti, si sostiene in volo in modo non convenzionale. Esso usa le sue ali per generare dei vortici sui bordi anteriori (leading-edge vortex). I biologi hanno studiato questi vortici dal 1996 quando hanno cercato di spiegarsi come volavano gli insetti. Poi questi vortici sono stati osservati in continuazione e nuovi studi hanno rivelato che anche gli uccelli sono in grado di generarli. I leading-edge vortex si formano sopra l’ala quando è grande l’angolo formato dall’ala con il flusso dell’aria. Il flusso si separa dall’ala sullo spigolo e si piega in un vortice. Per generare questo vortice a bassi angoli di attacco, alcune ali hanno un profilo tagliente invece che arrotondato. Per stabilizzare il vortice gli insetti battono le ali rapidamente mentre i rondoni spingono le ali all’indietro. La pressione all’interno del vortice è più bassa e spinge in alto ed a volte in avanti. I rondoni hanno ali lunghe ed incurvate con piume primarie che formano un profilo anteriore tagliente che genera e stabilizza il vortice anche con angoli di attacco di 5° in confronto ai 25°-45° degli insetti. Le conoscenze acquisite dagli ingegneri aerospaziali hanno ispirato i biologi nello studio dell’aerodinamica degli animali volanti. Gli ingegneri hanno scoperto per primi l’entità della forza ascensionale prodotta dai vortici sul bordo anteriore dell’ala quando hanno risolto il problema di come fare atterrare i jet supersonici e gli aerei passeggeri come il Concorde. Le ali a delta rendono possibile il volo supersonico, ma generano anche uno stabile vortice al bordo con alti angoli di attacco. La forza ascensionale addizionale che si genera permette agli aerei con ali a delta di atterrare con sicurezza nonostante la piccola apertura alare rispetto agli aerei convenzionali. Osservando le evoluzioni dei rondoni, si nota come essi tengano le ali all’indietro nel volo rapido e cambiano l’assetto per eseguire curve strette. Il volo planato delle cicogne ha ispirato il progetto del primo aeroplano di Otto Lilienthal alla fine del 1800 ed ha favorito la confidenza al volo dei pionieri. I rondoni planano in modo radicalmente differente, essi sono agili e veloci e per questo si richiede la capacità di generare grandi forze aerodinamiche ed esercitare un perfetto controllo su di esse. Il prossimo passo nella comprensione del loro volo è quello di spiegare come usano l’inclinazione variabile delle ali per un diretto controllo del vortice e per aumentare le loro prestazioni. Nel futuro i rondoni potrebbero ispirare una nuova generazione di ingegneri a sviluppare veicolo microrobotici che possano volare con agilità ed efficienza e con brevi spazi di decollo ed atterraggio come gli insetti e gli uccelli.
Science, 10 Apr 2009, Vol. 324, pg. 190 - Bret W. Tobalske - Gli uomini restano ammirati nel vedere come gli uccelli si sostengono con il movimento delle ali ed osservando le spettacolari manovre di cui sono capaci. Seguire una comune mosca domestica nei suoi giri erratici che cerca di uscire dalla stanza o un colibrì picchiare e manovrare per scacciare un competitore. Ci si aspetta che queste manovre richiedano modi asimmetrici nel muovere le ali, ma l’esperienza su insetti, uccelli e pipistrelli indica che tutte le manovre sono compiute con cambiamenti relativamente limitati del moto delle ali. Tyson L. Hedrick dell’università del Nord Carolina ed altri hanno studiato queste manovre ed i loro risultati influenzeranno le future ricerche sul volo degli animali e quello dei robot volanti. Gli autori hanno mostrato che gli animali volanti contrastano il yow (rotazione del corpo) intorno all’asse verticale durante il sostentamento (hovering) muovendo le ali in senso verticale senza asimmetrie. Tenendo ambedue le ali nella stessa posizione e muovendole in basso ed in alto nello stesso modo rispetto al corpo, è sufficiente per arrestare la rotazione. Questo moto viene detto battito in contro-coppia. Per capire l’importanza del risultato, consideriamo l’insieme di soluzioni che gli animali volanti hanno per modulare le forze aerodinamiche (forza ascensionale e resistenza) e l’inerzia (massa e sua distribuzione). Gli animali possono variare la velocità delle loro ali aumentando la frequenza e l’ampiezza del battito d’ala, alterare il percorso del moto dell’ala relativo al corpo o ruotare l’intera ala per cambiare l’angolo con cui questa colpisce l’aria. Uccelli e pipistrelli possono anche usare i loro muscoli ed elementi del loro scheletro per alterare la curvatura dell’ala, la superficie dell’ala e la rotazione lungo l’asse dell’ala (twist). Per ricostruire il moto nelle tre dimensioni di tutte le fasi del volo sono necessarie più telecamere video sincronizzate. Quando inizia un moto di rotazione del corpo (yow), o per una forza esterna (un colpo di vento), o per un’asimmetria creata dalle stesse ali, è necessaria una forza asimmetrica opposta per fermarla. Hedrick ha sviluppato un modello matematico che predice come un battito simmetrico delle ali può creare questa coppia. Nel modello, durante il battito verso il basso, ambedue le ali si muovono con la stessa velocità rispetto al corpo, ma relativamente all’aria ed alla terra l’ala esterna (di destra) si muove più velocemente di quella interna (di sinistra) perché la velocità angolare del corpo (supposta antioraria) si somma a quella dell’ala esterna e si sottrae a quella dell’ala interna. Poiché forza ascensionale e resistenza sono proporzionali al quadrato della velocità, l’ala esterna esercita una forza esponenziale sull’aria in una direzione perpendicolare alla superficie superiore dell’ala stessa e la differenza fra le forze delle due ali crea una coppia opposta a quella del corpo decelerando la sua rotazione. Il processo si rovescia durante il moto delle ali verso l’alto. Hedrick ha testato le predizioni del modello con le registrazioni video delle manovre di quattro specie di insetti, due specie di uccelli ed un pipistrello. Tutti mostrano un decadimento esponenziale nel yow. Il fatto che il modello contro-coppia nel battito delle ali è verificato per un’ampia varietà di dimensioni del corpo, indica che si è in presenza di un modello universale e questo migliora la nostra comprensione perché prima si supponeva che nelle manovre degli insetti dominassero le forze di viscosità espresse dal numero di Reynolds e, più alto è il numero, maggiore è l’influenza dell’inerzia del corpo e delle ali sull’aerodinamica. Nel caso di grandi uccelli il numero di Reynolds è 148 volte più grande di quello degli insetti più piccoli e tuttavia tutti sfruttano lo stesso meccanismo di contro-coppia per frenare la rotazione. Questi principi potranno essere applicati nel progetto dei controlli ed attuatori per le ali di robot volanti.
Science, 16 July 2010, Vol. 329, pg. 288 – Marc Alperin and Tori Hoehler – Ogni anno i sedimenti dell’oceano producono una quantità di metano equivalente a quella emessa da tutte le sorgenti naturali. Solo una piccola quantità di questo metano delle profondità marine raggiunge tuttavia l’atmosfera e la maggior parte è consumata dai microrganismi anaerobici diffusi nei sedimenti. Questo processo è conosciuto come anaerobic methane oxidation (AMO), già da 35 anni, ma è ancora poco compreso. I ricercatori non hanno ancora definito i meccanismi della reazione e i fattori che la controllano, o isolato gli organismi responsabili. Studi recenti hanno fornito nuove informazioni sui microrganismi che abitano nei sedimenti, ma hanno suscitato nuove domande sul meccanismo. I primi studi sull’AMO si sono concentrati sul processo di diffusione molecolare che trasporta il metano attraverso i sedimenti e su quanto se ne consuma ed hanno provato l’esistenza di microrganismi. La presenza di lipidi accanto al metano complica l’interpretazione del meccanismo perché anche questi possono essere attribuiti agli stessi archea che producono e non ossidano il metano. L’ossidazione del metano è attiva nell’interfaccia fra i sedimenti più profondi, dove gli archea producono il metano e gli strati superiori ricchi di solfati dove avviene la riduzione dei solfati per opera di batteri e l’ossidazione del metano.