Ponti viventi
I ricercatori utilizzano nuovi materiali per gettare le basi di Umwelt und Geomatik, edifici viventi che reagiscono all'ambiente circostante. Stanno progettando infrastrutture che monitorano continuamente le loro condizioni e possono persino ripararsi da sole.
Quando non legge letteratura tecnica su ponti oscillanti, infrastrutture intelligenti e ingegneria basata sui dati, Eleni Chatzi ama immergersi in romanzi di fantascienza. "Mi piace pensare a idee non convenzionali e immaginare un mondo che non esiste ancora", dice la professoressa di Meccanica strutturale e monitoraggio, la cui cattedra è finanziata dalla Fondazione Albert Lück dal 2010. Sembra quasi fantascienza quando parla delle applicazioni che un giorno potrebbero nascere dalla sua ricerca. Per esempio, ponti che crescono da una manciata di semi e sono costituiti interamente da materiale biologico.
Il 38enne ingegnere civile è specializzato nel monitoraggio della salute strutturale. Con l'aiuto di sensori, algoritmi per la conversione e l'elaborazione dei segnali e l'apprendimento automatico, Chatzi diagnostica la salute di dighe, ponti, turbine eoliche, aerei e veicoli. Finora, i sensori di sollecitazione, deformazione, accelerazione, vento ed estensimetri necessari a questo scopo venivano installati in un secondo momento o programmati durante l'Umwelt und Geomatik. "Tuttavia, ciò rappresenta di solito una spesa aggiuntiva e un fattore di disturbo, soprattutto nei cantieri". Ad esempio, è necessario posare innumerevoli cavi per inviare i segnali di misura a un computer centrale dove vengono analizzati. "Vogliamo quindi sviluppare infrastrutture e macchine con un'intelligenza intrinseca che siano consapevoli del loro stato anche senza sensori installati esternamente", afferma Chatzi.
"Concreto "sicuro di sé
La base per queste infrastrutture "autoconsapevoli" è una classe di materiali completamente nuova che è oggetto di ricerca in tutto il mondo da diversi anni. Ad esempio, un calcestruzzo in grado di monitorare le proprie condizioni. Per ottenere questo risultato, il "calcestruzzo autosensibile intrinseco" viene mescolato con fibre di carbonio, nanotubi di carbonio e polvere di nichel. Applicando una tensione e misurando costantemente la resistenza elettrica, questo materiale fornisce informazioni su crepe, umidità o sollecitazioni insolitamente elevate.
Un secondo filone di ricerca che punta in una direzione simile è quello dei materiali con proprietà autorigeneranti. L'anno scorso alcuni ricercatori statunitensi hanno presentato un polimero in grado di ripararsi da solo reagendo con l'anidride carbonica dell'aria. L'ispirazione è stata la fotosintesi delle piante. Altri collaboratori stanno lavorando con batteri che formano calce a contatto con l'acqua piovana e l'umidità. Se aggiunti al calcestruzzo, le piccole crepe possono chiudersi da sole. Sono in corso anche esperimenti con reti microvascolari che, in caso di lesione, rilasciano fluidi "curativi" che polimerizzano e riempiono le fratture, in modo simile alla reazione del nostro organismo dopo una lesione cutanea.
Integrazione delle funzioni biologiche
"Stiamo assistendo a una fusione tra Scienze ed ingegneria dei materiali e biologia", afferma Mark Tibbitt, professore del Laboratorio di Ingegneria Macromolecolare dell'ETH di Zurigo. In passato, chimici e ingegneri si sono ispirati principalmente all'ambiente naturale per ricreare proprietà come l'idrorepellenza della pianta di loto. "Oggi stiamo cercando di incorporare funzioni biologiche nei materiali". Il prerequisito è rappresentato dalle scoperte nella scienza dei materiali e nella biotecnologia: l'ingegneria del DNA e i nuovi metodi di biologia molecolare, come le forbici genetiche CRISPR/Cas, possono ora essere utilizzati per introdurre funzioni biologiche specifiche nelle cellule. La produzione additiva con stampanti 3D, invece, consente di progettare materiali basati su dati ad alta risoluzione. Nella sua ricerca, Tibbitt combina concetti di ingegneria chimica, chimica dei polimeri, scienze ed ingegneria dei materiali e biologia dei sistemi. In questo modo sviluppa polimeri morbidi e simili ai tessuti per applicazioni biomediche.
"L'aspetto affascinante degli organismi viventi è che percepiscono l'ambiente in cui vivono, reagiscono ad esso e si curano da soli in caso di ferite", afferma Tibbitt. "Vogliamo dotare materiali e infrastrutture di queste qualità", e fornisce esempi di applicazioni future: Piante da interno che purificano l'aria e ne indicano la qualità cambiando il colore delle foglie. Oppure edifici che cambiano colore a seconda delle stagioni per un clima interno confortevole.
Tibbitt ha incontrato Eleni Chatzi un anno fa in occasione di una manifestazione per esplorare percorsi di ricerca radicalmente nuovi. Sebbene i due lavorino su scale completamente diverse, parlano spesso degli stessi concetti. I materiali che "guariscono" da soli sono uno di questi. Ora hanno lanciato un dialogo interno all'ETH sui materiali e le infrastrutture viventi, autoconsapevoli e autorigeneranti. Il dialogo coinvolge scienziati dei materiali, ingegneri chimici, civili ed elettrici, biologi e informatici. L'obiettivo è sviluppare materiali su diverse scale fin dall'inizio. "Come hub, l'ETH è predestinato a questo scopo, perché ha grandi competenze in tutte le aree coinvolte", è convinto Tibbitt. Nella primavera del 2020 si terrà un workshop iniziale con discussioni tra esperti e un simposio. Saranno definite le domande di ricerca e avviati i primi progetti transdisciplinari.
Vivere con gli ambienti di vita
Il campo di ricerca co-progettato da Chatzi e Tibbitt è ancora molto giovane e le domande superano ancora le risposte. Ad esempio, come garantire la sicurezza e la coerenza quando le infrastrutture sviluppano una vita propria? Come reagiscono gli esseri umani e gli animali all'ambiente costruito quando questo è composto da organismi viventi? E cosa succede quando un organismo sintetico proveniente da un nuovo materiale da costruzione entra nelle acque circostanti? Per Tibbitt, una cosa è certa: "Dobbiamo pensare alle questioni bioetiche e ai sistemi di sicurezza fin dall'inizio".
Tuttavia, i rischi sono anche associati a grandi opportunità: La produzione di calcestruzzo è attualmente responsabile di circa l'otto per cento delle emissioni globali di CO2. Intere spiagge sabbiose vengono rimosse per il boom edilizio globale. E le discariche per i rifiuti edili sono in molti casi stracolme. Le infrastrutture biologiche con cicli chiusi di materiali offrono un'alternativa sostenibile. Ad esempio, i ponti realizzati con una fibra vegetale insolitamente resistente. Potrebbero ripararsi da soli in caso di danni e disintegrarsi in componenti compostabili alla fine della loro vita utile.
Questo testo è pubblicato nell'attuale numero dell'ETH Magazine. Globo pubblicato.