Strutture a nido d’ape per ottimizzare spazi e materiali, idrocolloidi stampati 3D per cibi vegan
simili a quelli animali, materiali per il packaging autopulenti e biodegradabili, estetica armoniosa
grazie alle geometrie frattali: sono solo alcuni esempi di biomimesi
“Il grande libro, sempre aperto e che bisogna sforzarsi di leggere, è quello della Natura”, sosteneva l’architetto Antoni Gaudí. Osservando la natura che ci circonda possono nascere nuove idee per migliorare la vita umana e l’ambiente. È questo il concetto alla base della biomimesi (o biomimetica), letteralmente “imitazione della natura”: un insieme di strategie che traggono ispirazione dalle caratteristiche e dalle funzioni presenti negli organismi viventi per sviluppare soluzioni innovative in vari ambiti, dall’architettura all’abbigliamento, dalla robotica alla medicina. Nel settore alimentare la biomimesi può portare allo sviluppo di nuovi metodi di produzione, confezionamento e conservazione degli alimenti. Prendendo spunto da processi e materiali naturali si possono, ad esempio, progettare nuovi materiali per il packaging più performanti e al contempo meno impattanti sull’ambiente, così come alimenti con texture ottimizzate, una maggiore stabilità e magari anche un migliore profilo nutrizionale, oppure totalmente vegetali, privi di ingredienti responsabili di allergie o intolleranze e molto altro. Insomma, grazie alla possibilità di applicare i concetti appresi dalla natura, la biomimesi può giocare un ruolo importante nella ricerca e sviluppo di soluzioni innovative. Vediamo di seguito qualche esempio.
Avete mai osservato quegli insetti che sembrano camminare sull’acqua? Alcuni utilizzano un trucco ingegnoso per muoversi più rapidamente: rilasciano una sostanza lipidica che riduce la tensione superficiale posteriormente, impartendo una spinta in avanti. In questo modo riescono a sfuggire ai predatori o a risalire verso la terraferma. Il fenomeno, noto come effetto Marangoni (dal nome del fisico italiano Carlo Marangoni, che lo studiò per primo intorno al 1860), consiste nella generazione di flussi di liquido dovuti a differenze di tensione superficiale su un’interfaccia, che si verificano in seguito a variazioni di temperatura o di composizione chimica del fluido. Un gruppo di ricerca multidisciplinare composto da scienziati del Massachusetts Institute of Technology (MIT) e dell’azienda Mars, insieme allo chef José Andrés (“allievo” di Ferran Adrià e proprietario di oltre 30 ristoranti negli Stati Uniti), ha replicato il meccanismo creando una “barchetta” edibile alimentata ad alcol (rum Bacardi 151, 75% vol.), un accessorio decorativo per cocktail in grado di muoversi autonomamente sulla superficie del liquido. Fuoriuscendo da una fessura posteriore, l’alcol riduce la tensione superficiale nella zona della poppa, generando una forza propulsiva che permette alla barchetta di navigare nel bicchiere a una velocità di 10 cm al secondo. I primi prototipi erano in plastica stampata 3D, mentre le versioni finali sono in materiali commestibili come gelatina, agar-agar o zucchero caramellato, rendendo l’accessorio ludico parte integrante dell’esperienza gustativa.
Barchette a propulsione alcolica e pipette floreali (qui collegate a una luce Led per amplificare l’effetto visivo): sono opera di un team di scienziati e chef che hanno sfruttato fenomeni fisici riguardanti il comportamento dei fluidi (crediti: Bush J.V.M. et al.).
Gli stessi inventori della barchetta da cocktail hanno progettato una pipetta floreale, ispirata ai fiori di ninfea. Quando il livello dell’acqua sale, questi chiudono i loro petali intrappolando una bolla d’aria e proteggendo il polline all’interno. Il processo, che coinvolge forze elastiche e capillari, è stato ribattezzato origami capillare. La pipetta floreale sfrutta lo stesso principio ma funziona all’inverso: immersa in un liquido ha i petali aperti, mentre si richiude quando viene estratta, perché si crea una suzione idrostatica (pressione negativa) che tira i petali verso l’interno, facendoli chiudere attorno a un volume di fluido, allo stesso tempo impedendo all’aria di entrare. Può essere utilizzata per servire in modo intrigante piccoli assaggi di liquido (circa 0,5 mL), per ripulire il palato tra una portata e l’altra. Per la realizzazione sono stati testati vari agenti gelificanti (gelatina, agar-agar e combinazioni di gomma di carruba e carragenina), in modo da ottenere petali abbastanza robusti da non danneggiarsi durante l’uso ma sufficientemente flessibili da rispondere alle forze capillari. I fenomeni alla base di questo dispositivo si inseriscono nell’ambito della biocapillarità, disciplina recente al confine tra scienza delle interfacce e biologia, incentrata sul fatto che, in sistemi fluidi di dimensioni ridotte, gli effetti della tensione superficiale dominano su quelli della gravità.
La biomimetica ha fatto passi avanti significativi nel replicare le strutture dei prodotti di origine animale per alternative vegetali. Gli strumenti per affrontare questa sfida sono rappresentati da ingredienti e tecnologie che permettono di migliorare consistenza, stabilità e proprietà sensoriali dei prodotti. Tra gli ingredienti, i protagonisti assoluti sono gli idrocolloidi: principalmente polisaccaridi (pectine, alginati, carragenine…) in grado di legare acqua, formando gel utili per strutturare i cibi. Per fare qualche esempio, negli analoghi del pesce si utilizzano combinazioni di alginati per simulare l’elasticità della polpa e carragenine per la masticabilità dei crostacei, mentre nella carne “coltivata” i colloidi fungono da impalcature per la crescita e la maturazione delle cellule muscolari animali. Per quanto riguarda le tecnologie, l’introduzione della stampa 3D costituisce un’innovazione dirompente che permette di personalizzare in modo preciso le strutture, purché si conoscano e gestiscano le proprietà reologiche degli idrocolloidi impiegati come “inchiostri”. Un’ulteriore evoluzione verso cui la ricerca scientifica si sta rivolgendo è la stampa 4D, che utilizza “materiali intelligenti” capaci di cambiare forma, colore o sapore in risposta a stimoli esterni come temperatura o pH, con il vantaggio di risparmiare spazio durante il trasporto (grazie alla capacità di cambiare forma successivamente) o di adattare i prodotti stampati alle esigenze e ai gusti specifici al momento del consumo.
Le foglie di loto sono note per essere altamente idrorepellenti (“superidrofobiche”) e quasi impossibili da sporcare. Il segreto sta nella loro struttura superficiale, caratterizzata dalla presenza di minuscole protuberanze ricoperte da uno strato ceroso. Questo fa sì che, quando l’acqua cade sulla foglia, non si spande, bensì mantiene la forma di gocce, che rotolano via per effetto della gravità o del vento, trascinando con sé lo sporco. L’effetto loto (così è stato chiamato il fenomeno) ha ispirato e continua a ispirare la creazione di materiali e vernici autopulenti per svariate applicazioni. Di recente i ricercatori di un’università australiana lo hanno replicato ingegnerizzando una bioplastica biodegradabile a base di amido e cellulosa, la cui superficie è stata impressa con un motivo che imita la struttura delle foglie di loto e poi rivestita con uno strato protettivo di PDMS (polidimetilsilossano), polimero biocompatibile a base di silicio. I test dimostrano che questo materiale non solo respinge efficacemente liquidi e sporco, ma mantiene le sue proprietà autopulenti, anche se graffiato ed esposto a calore, acidi ed etanolo. Gli inventori ne indicano il possibile impiego nella produzione di packaging compostabili che assicurano al contempo la protezione dalle contaminazioni.
Alcuni materiali plastici e vernici imitano la superficie superidrofobica autopulente della foglia di loto (fonte: www.rmit.edu.au).
Le lenticchie d’acqua sono minuscole piante acquatiche a crescita rapida che galleggiano sulle superfici di stagni, zone umide e laghi. Sono essenzialmente foglie galleggianti con minuscole radici che formano densi tappeti in grado di raddoppiare di dimensioni in pochi giorni. A lungo apprezzate per il loro ruolo nella depurazione delle acque reflue, sono oggi guardate con interesse per il potenziale di catturare fisicamente le microplastiche intrappolandole grazie a più fattori: superficie ruvida di foglie e radici; presenza di biofilm microbici (comunità microscopiche di batteri e loro secrezioni) che rendono la pianta appiccicosa; forze elettrostatiche che tengono adese le particelle di plastica. L’insieme di questi fattori, oltre alla forma piatta e galleggiante della massa vegetale, offre un modello per la progettazione di sistemi che depurano l’acqua senza l’uso di sostanze chimiche o processi ad alto consumo energetico, sia per contesti ambientali che industriali.
Il boa constrictor è un serpente non velenoso originario dell’America centrale e meridionale. Predatore da agguato, aspetta pazientemente che la preda si avvicini e poi, con un’esplosione di forza, morde e avvolge le sue spire attorno al malcapitato, uccidendolo per costrizione. I suoi denti svolgono un ruolo cruciale: lunghi e sottili, disposti in più file, sono curvi verso l’interno, come uncini, in modo da rendere impossibile la fuga della preda una volta addentata. Ingegneri e progettisti possono trarre ispirazione da questo modello per creare pinze in grado di afferrare saldamente gli oggetti quando si allontanano e di rilasciarli facilmente quando il movimento è diretto verso l’interno. Potrebbero essere utili per la movimentazione di oggetti fragili, scivolosi o di forma irregolare, come la frutta.
La forma dei denti del boa constrictor, lunghi e sottili e curvi verso l’interno, ispira la progettazione di pinze per la movimentazione di oggetti fragili, scivolosi o di forma irregolare, come la frutta (fonte: asknature.org)
Perché le api costruiscono i loro nidi a forma di tante celle esagonali assemblate? Per molto tempo la cosiddetta congettura del nido d’ape ha appassionato gli studiosi, ma sebbene da secoli si fosse intuita l’efficienza della griglia esagonale, solo nel 1999 il matematico statunitense Thomas Hales riuscì a dimostrare con i numeri che tale pattern permette di racchiudere il maggiore spazio di stoccaggio impiegando il minimo quantitativo di materiale da costruzione (la cera). L’esagono rappresenta infatti il perfetto equilibrio tra “rotondità” e capacità di incastro senza lasciare spazi vuoti. Le strutture derivanti dall’assemblaggio di più unità esagonali presentano inoltre interessanti proprietà fisiche, come la resistenza alla compressione, l’assorbimento degli urti e l’isolamento termico e acustico. Nell’industria alimentare le strutture a nido d’ape sono ampiamente utilizzate nella filtrazione per la purificazione dei liquidi e/o il recupero di particolati.
La struttura a nido d’ape permette di racchiudere il maggiore spazio di stoccaggio impiegando il minimo quantitativo di materiale da costruzione (crediti: David Hablützel, Pexels)
Cosa accomuna i broccoli romaneschi, i semi nel girasole, le scaglie che rivestono l’ananas, le spirali delle pigne? Presentano tutti una geometria frattale, ossia che si ripete nella sua forma allo stesso modo su scale diverse. Questo tipo di geometria è descritta attraverso la successione di Fibonacci, modello matematico che consiste in una sequenza numerica in cui ogni termine è la somma dei due precedenti, partendo da 0 e 1 (0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55…). Prende il nome dal matematico italiano del XIII secolo Leonardo da Pisa, detto Fibonacci (da filius Bonacci, figlio di Bonaccio). Strettamente legata a questa successione è la sezione aurea (corrispondente al numero 1,618), che si ottiene quando il rapporto tra la somma di due quantità e la maggiore di esse è uguale al rapporto tra la quantità maggiore e la minore. Man mano che si procede nella successione di Fibonacci, ci si avvicina sempre di più alla sezione aurea, creando un legame profondo tra teoria dei numeri e armonia visiva. Questi concetti si ritrovano visivamente nella struttura dei croissant dovuta a sfogliatura, pieghe e avvolgimenti, nella disposizione circolare della frutta sulle crostate, nel vortice creato con la latte art nel cappuccino, e possono essere riprodotti anche in fase di impiattamento. Tra l’altro, diversi studi dimostrano che le persone percepiscono il cibo come più gustoso e di qualità superiore quando è presentato in modo armonioso e artistico. Un piatto visivamente equilibrato secondo le regole matematiche della natura può dunque stimolare una maggiore soddisfazione sensoriale e promuovere un’alimentazione più consapevole.
Il broccolo romanesco, esempio di geometria che riflette la successione di Fibonacci (crediti: Ivar Leidus, Wikipedia).
Riallacciandoci alla citazione iniziale attribuita a Gaudí, la biomimesi alimentare si prospetta come un campo in cui la natura funge da “libro aperto” per ispirare nuovi processi, prodotti e modalità di presentazione, unendo osservazione, intuito, rigore scientifico e una buona dose di creatività. Il successo di questo approccio dipende non solo dalla funzionalità tecnica di ciò che si realizza, ma anche dalla capacità di imitare l’eleganza intrinseca della natura. Il futuro vedrà un’attenzione crescente verso l’estetica unita alla funzionalità, dove l’innovazione basata sulla biomimesi può contribuire a creare momenti di “meraviglia” durante l’esperienza di degustazione.
Rossella Contato
Fonti:
