Plantoidi su Marte – Wired

Un robot che si comporta come un vegetale: cresce da solo nel terreno alla ricerca di acqua o sostanze ed evita gli ostacoli. Fa parte di una nuova generazione di macchine sostenibili che potrebbero avere un impatto immediato nella riduzione dell’inquinamento o nell’esplorazione di altri pianeti

Pubblichiamo un estratto dal numero dell’estate 2019 di Wired, dedicato a come la tecnologia e il digitale stanno cambiando la nostra vita.

Vi sarà capitato di trovarvi nel bel mezzo di una foresta e rimanere affascinati dalla maestosità ed eleganza degli alberi volgendo lo sguardo verso le loro chiome. Più difficilmente, forse, trovandovi in questo contesto, avrete immaginato le piante come modello da imitare per realizzare i robot di domani, macchine in grado di adattarsi ad ambienti estremi e mutevoli. 

Potrebbe sembrare alquanto bizzarro e inusuale pensare alle piante in questi termini, dal momento che fin dall’antichità questi esseri viventi sono stati considerati come creature inermi, non in grado di muoversi o percepire l’ambiente intorno a loro, e ritenute quasi esclusivamente valide come fonte di cibo per l’uomo e animali da allevamento. 

Eppure, proprio questi esseri verdi, dai quali dipende strettamente la nostra sopravvivenza sul pianeta Terra, sono protagonisti di una nuova generazione di robot in grado di muoversi crescendo alle loro estremità per aggiunta di nuovo materiale e di percepire l’ambiente esterno, adattando la propria morfologia sulla base degli stimoli ambientali percepiti. L’obiettivo a lungo termine è quello di realizzare macchine al servizio dell’uomo, progettate in maniera più sostenibile così che siano perfettamente integrate negli ecosistemi naturali, non solo da un punto di vista funzionale ma anche in termini energetici e dei materiali che le compongono, sempre più biodegradabili e a minore impatto ambientale.  

Dobbiamo prendere più consapevolezza del fatto che tutto ciò che riversiamo nell’ambiente ritorna a noi sotto forma di inquinamento degli ecosistemi, cibo contaminato e conseguente peggioramento dello stato generale di salute, per non parlare della minaccia alla sopravvivenza di specie animali e vegetali. In questo la ricerca ha un compito fondamentale nel sensibilizzare l’umanità del nuovo millennio sull’importanza strategica che la tutela dell’ambiente riveste, per il nostro futuro e il nostro benessere.

Viviamo in un’epoca in cui la tecnologia nasce con una obsolescenza programmata, ovvero basata su una strategia industriale che prevede la morte prematura del prodotto per sostenere i consumi. Ormai sappiamo che questo utilizzo dissennato delle risorse naturali non è più sostenibile sul lungo periodo e che tecnologie e fonti energetiche ecologiche, non inquinanti e rispettose dell’ambiente devono rappresentare una delle sfide chiave a livello mondiale per la società futura. 

Ma perché le piante dovrebbero aiutarci nell’affrontare queste sfide relative alla sostenibilità ambientale e addirittura rappresentare un nuovo modello per sviluppare tecnologia più green? Quali sono le caratteristiche che le rendono la soluzione perfetta?

Le piante riescono a muoversi sviluppando strategie diverse da quelle proprie del mondo animale, basate sulla contrazione muscolare. Il movimento attraverso la crescita è il processo che le contraddistingue rispetto agli animali, i quali possono crescere solo fino al raggiungimento della maturità, e poi smettono. Le piante invece crescono per tutta la vita creando forme straordinarie, in armonia con l’ambiente mutevole che le circonda. Le piante sono « progettate » per sfruttare le risorse disponibili nel loro habitat, in modo da ridurre al minimo lo spreco energetico. Prendiamo ad esempio le loro radici. Queste crescono aggiungendo nuove cellule in una zona dell’apice radicale, ovvero la parte più distante dal fusto, che si chiama meristema. In quest’area le cellule si dividono e poi si allungano per assorbimento di acqua dall’ambiente esterno. Le cellule così si distendono producendo una spinta verso il basso, che consente il movimento nel suolo della sola parte apicale.

È una fine strategia che permette di mantenere immobile il corpo della radice più matura, così da ridurre enormemente l’attrito che ostacolerebbe il movimento radicale. Questo processo di divisione, assorbimento e allungamento delle cellule, con conseguente movimento verso il basso, aiuta la radice a muoversi efficacemente alla ricerca delle sostanze di interesse, come acqua e nutrienti, con il minor dispendio energetico. Ecco che anche una radice di dimensioni modeste, come quella del fagiolo, può spostare un peso di qualche chilogrammo. È proprio da qui, dalla crescita per aggiunta di materiale, che siamo partiti per realizzare il Plantoide, il primo robot al mondo ispirato alle radici delle piante. Come quella naturale, anche la nostra radice artificiale è dotata di una parte apicale munita di sensori per la misurazione di svariati parametri nel suolo – acqua, gravità, temperatura, luce –, e di sensori tattili che servono a evitare gli ostacoli. A ogni sensore è associato un movimento tipico delle piante, chiamato tropismo, ovvero la radice cresce verso o lontano da uno stimolo ambientale, a seconda che sia positivo o negativo per la pianta. Ad esempio si definisce idrotropismo la crescita in direzione di un gradiente di acqua, e tigmotropismo la capacità di una pianta di evitare un ostacolo.

L’aspetto davvero rivoluzionario del Plantoide risiede nella sua capacità di muoversi attraverso la crescita, proprio come fanno le piante in natura. In particolare, l’apice robotico integra una stampante tridimensionale o 3D miniaturizzata. A differenza delle stampanti commerciali che ricevono da un computer un file nel quale è descritta la geometria tridimensionale dell’oggetto da creare, nel caso del Plantoide le istruzioni per costruire la struttura tridimensionale provengono dal suo interno – ovvero dai tropismi che si attivano in base alle informazioni raccolte dai sensori – e non da un computer esterno. Un motore integrato nell’apice robotico tira da un rocchetto un filamento di materiale plastico sensibile alla temperatura. Quest’ultimo viene depositato a contatto con la punta attraverso ruote dentate e scaldato da una resistenza elettrica, anch’essa collocata all’interno dell’apice. Strato dopo strato, il robot crea il proprio corpo che così penetra nel suolo alla ricerca di sostanze utili in agricoltura – ad esempio, acqua, azoto, o potassio – o nel monitoraggio ambientale. A seconda dei sensori integrati nella punta e dei tropismi ad essi associati, il robot può esplorare il sottosuolo e fornire dati ad un operatore umano, il quale potrà intervenire con aggiunta di acqua o di altre sostanze, solo quando e se necessario.

La robotica, nuovi sensori microfabbricati e l’intelligenza artificiale per l’analisi di dati complessi e molteplici, rappresenteranno sempre più gli strumenti per ridurre l’abuso di sostanze, quali fertilizzanti o erbicidi, che in eccesso vanno a contaminare falde acquifere e terreni per uso agricolo. L’uso ponderato di queste sostanze, sulla base dei dati forniti da macchine sensorizzate, avrebbe un impatto immediato nella riduzione dell’inquinamento e del dispendio di risorse, sempre più limitate, come l’acqua. Tutto ciò si tradurrebbe anche in una riduzione immediata dei costi associati alla produzione e in una maggiore conoscenza delle caratteristiche dell’ambiente produttivo.

Le piante ci insegnano anche altre strategie per progettare macchine a minor consumo energetico. Alcuni movimenti delle piante sono classificati come passivi perché non necessitano di un metabolismo associato, ma dipendono dalla struttura dei materiali all’interno della parete cellulare delle cellule vegetali e dalla loro capacità di interagire con le variazioni di umidità e temperatura nell’aria. Ne sono alcuni esempi, i movimenti associati all’apertura e chiusura di una squama di un cono femminile di pino, detto pigna, o al seme di farro che penetra nel terreno, solo per citare alcuni tra i casi più noti: sebbene siano strutture morte, entrambe si muovono grazie all’interazione tra i materiali di cui sono composte e il tasso di umidità dell’aria e rappresentano un esempio mirabile di efficienza energetica.

Nel Plantoide abbiamo provato a imitare queste strutture: il robot è formato da un tronco in materiale termoplastico dal quale si originano dei rami sui quali sono integrate foglie artificiali basate su materiali ispirati ai movimenti suddetti. Le foglie del Plantoide sono state realizzate con polimeri plastici di diversa tipologia: uno, depositato in forma di strati sottili, che risponde alle variazioni di umidità ambientale, e l’altro che guida il movimento. Questi materiali intelligenti funzionano da sensori e motori al tempo stesso e, proprio come quelli naturali, possono interagire con l’umidità dell’aria generando un movimento associato. Come conseguenza, le foglie del Plantoide sono in grado di aprirsi e chiudersi in risposta al grado di umidità ambientale. Siamo in presenza di una classe di movimenti che non si basa sulla contrazione di muscoli come accade per la maggioranza degli animali, uomo compreso. Al contrario le piante hanno sviluppato e potenziato strategia di movimento che sfruttano l’energia disponibile nell’ambiente – sotto forma ad esempio di umidità o di luce – per ottenere risultati senza dispendio energetico da parte del soggetto. In questo senso, la dispersione dei semi diventa una strategia di movimento usata dalle piante per spostarsi da un sito all’altro.

Dal tronco del Plantoide, verso il basso, si diramano cinque radici con i loro apici sensorizzati in grado di muoversi crescendo nel suolo e seguendo gradienti di sostanze di interesse. Ecco che guardando questo robot si intuisce immediatamente la sua derivazione vegetale e i principi di funzionamento che abbiamo tradotto dal naturale al mondo artificiale. 

Partendo dallo studio delle piante e della loro struttura, possiamo immaginarci anche altre soluzioni energeticamente sostenibili. Recentemente, con il mio gruppo di ricerca abbiamo dimostrato sperimentalmente che le piante sono in grado di convertire energia meccanica in elettricità. Da poco tempo è stato scoperto che il doppio strato di tessuto delle foglie di piante superiori, formato dallo strato più esterno, denominato cuticola, e dallo strato sottostante di epidermide, funziona come un condensatore che genera elettricità quando viene ripetutamente toccato da un dato materiale, ad esempio silicone.

Vi sarà capitato di assistere a un fenomeno simile quando si elettrizza un maglione di lana o quando prendete la scossa scendendo dall’auto e toccando la portiera, in quelle giornate fredde e asciutte di inverno. Il fenomeno si chiama « elettrificazione da contatto » e, nel caso delle foglie, questo avviene perché il doppio strato cuticola-epidermide consente di convogliare cariche sulla sua superficie, compensate da altrettante cariche di segno opposto all’interno della foglia. Queste cariche si formano nel tessuto vegetale interno che agisce come un cavo lungo lo stelo della pianta, al quale possiamo collegare una spina e utilizzare l’elettricità, ad esempio per alimentare alcuni dispositivi elettronici. Attraverso esperimenti di laboratorio abbiamo dimostrato che la tensione generata da una singola foglia può raggiungere più di centocinquanta volt, abbastanza per accendere simultaneamente cento lampadine a led! Inoltre, per la prima volta abbiamo mostrato come questo sistema possa essere utilizzato per convertire il vento in elettricità utilizzando le piante.

Abbiamo posizionato delle strisce rettangolari, realizzate in materiali artificiali simili a plastiche morbide, sopra le foglie di una pianta di Nerum oleander, il comune oleandro. Quando il vento smuove la chioma della pianta lo sfregamento tra foglie naturali e materiali artificiali produce elettricità, in quantità proporzionale alla frequenza dello sfregamento, all’area di contatto e alla forza di impatto sulla superficie della foglia. Ci piace immaginare che un giorno potremmo utilizzare questa energia totalmente green per illuminare un parco o per alimentare sensori e robot impegnati nel monitoraggio dell’aria delle nostre città. Molte sono le sfide che ci attendono nella comprensione di questi fenomeni naturali e nel loro impiego per realizzare macchine amiche dell’ambiente, in grado di operare all’aperto, quando e dove necessario, attingendo direttamente all’energia prodotta dalle piante. 

In un futuro, spero prossimo, i plantoidi potrebbero rappresentare macchine al servizio dell’uomo, dotate di una propria forma di intelligenza ispirata alle capacità di adattamento ed esplorazione delle affascinanti creature verdi che da milioni di anni ci circondano in silenzio, e dalle quali dipende la nostra vita. 

Robot-plantoidi, dotati di telecamere e sensori, potrebbero muoversi in aree potenzialmente pericolose per l’uomo senza mai perdere il contatto con un operatore, che potrebbe seguirne i movimenti da remoto. Queste macchine, in grado di modificare il proprio corpo sulla base degli stimoli ricevuti e l’ambiente esterno, potrebbero muoversi tra detriti o macerie ed essere utilizzati in operazioni di esplorazione di siti instabili o ricercare reperti archeologici nel suolo. A seconda dei sensori integrati nelle punte, potrebbero essere utilizzati in agricoltura e per il monitoraggio dei suoli alla ricerca di acqua, nutrienti o inquinanti. Nell’ambito di applicazioni per lo spazio, il nostro robot potrebbe essere impiegato per l’esplorazione dei suoli di altri pianeti o per l’ancoraggio di altri sistemi, compito svolto in modo eccellente dalle radici anche in natura. Ma il Plantoide potrebbe essere anche uno strumento nelle mani degli scienziati e studiosi delle piante per validare alcune ipotesi sul funzionamento di questi esseri viventi, più difficili da dimostrare direttamente sul modello biologico, come la loro interazione con il mondo esterno e come la fisica di un determinato ambiente influisca sulle strategie di adattamento e sui cambiamenti morfologici.

Possiamo vedere nel Plantoide anche uno strumento didattico. I movimenti delle piante, come le loro radici, spesso troppo lenti per essere percepiti dall’occhio umano, potrebbero essere visibili in una forma accelerata attraverso il robot e le sue radici, dimostrando e insegnando ai bambini ad apprezzare la bellezza di questi esseri, alieni sulla Terra, e la loro diversità.

La scienza è ormai uscita fuori dalle stanze poco accessibili dei laboratori di ricerca e svolge un ruolo sempre più importante nella Società: quello di sensibilizzare le nuove generazioni sull’importanza strategica che la tutela dell’ambiente riveste, per il nostro futuro e per la nostra stessa sopravvivenza.