BIONICA

BIONICA

. Il termine (inglese: bionics) è stato proposto nel 1960 da J. E. Steele degli U. S. Air Force Aerospace Medical Laboratories e benché "equivoco" è generalmente accettato. Equivoco perché nell'originale, se pur limitativa concezione, accomunerebbe solamente biologia ed elettronica mentre in realtà coinvolge per rispettive competenze e preparazioni, anche settoriali: meccanici, chimici, matematici e ingegneri interessati all'analisi dei fenomeni biologici. D'altra parte anche il termine "biologia" ha, e non da oggi, significato genericamente indicativo di "scienza dei viventi" e demanda per problematiche e metodologie a numerose discipline: zoologia, botanica, fisiologia animale e vegetale, anatomia ed embriologia comparate, genetica, medicina e chirurgia.

La vita è una particolare manifestazione della materia che si è configurata in mirabili architetture altamente efficienti e funzionali sì da creare un netto stacco fra organismi e non viventi: da qui il movente che ha generato la biochimica e la biofisica e ultima in ordine di tempo la biologia molecolare. È pertanto difficile tracciare un confine, che in realtà forse non esiste, tra biologia e aspetti delle scienze abiologiche, tenendo conto che gl'interrogativi sono comuni da molte centinaia di anni all'una e agli altri.

La biologia ha, tra gli altri, come obiettivo l'analisi e la comprensione delle strutture e della loro funzione nei viventi a ogni gradino della scala delle complicazioni o, se si preferisce, evolutiva. La b. si propone la "modellistica" della realtà e la simulazione delle abilità naturali con sensori ed effettori meccanici, elettrici, elettronici e chimici capaci di ricevere gli stimoli e le sollecitazioni e di rispondere adeguatamente. Una provvisoria definizione accettabile della b. è quella di Steele: "Scienza dei sistemi artificiali, il funzionamento dei quali è basato sui sistemi naturali o che presentano caratteristiche o analogie comuni ai viventi". Nell'enunciazione sono impliciti i concetti classici di omologie, convergenze e divergenze morfologiche e funzionali.

L. Gerardin definisce la b. "scienza incrocio" e l'Enciclopedia britannica "scienza ibrida"; ben a ragione perché in tale indirizzo confluiscono metodologie e tecniche diverse per ideologia e mentalità teorica e sperimentale: ci si trova di fronte a un campo speculativo chiaramente interdisciplinare. Non si deve inoltre dimenticare che la b. è sotto molteplici aspetti dottrinali una filiazione della cibernetica di N. Wiener. La b. infatti, come la cibernetica, partecipa ai problemi e non trascura le soluzioni della scienza delle comunicazioni, intendendo con ciò il continuo colloquio informativo dei viventi tra molecole, cellule, tessuti, tra i vari organi e tra organismo e ambiente. Questa comunicabilità è fondamentale per il successo tattico e strategico: il primo di limitata portata, il secondo di più ampio e generale significato. Informazione e comunicazione sono infatti elementi fondamentali per l'impostazione, lo sviluppo e la conclusione di coerenti processi e operazioni.

Gli organismi sono in primo luogo complessi trasformatori di energia come dimostrato, tra l'altro, dagli studi sulla fotosintesi clorofilliana: le piante verdi coniugano acqua e anidride carbonica e, utilizzando energia luminosa, formano gli zuccheri: veri e propri accumulatori, dunque, capaci di restituire, al momento opportuno, energia chimica che si manifesta in espressioni meccaniche, termiche e luminose nei vegetali stessi e negli animali che da questi sono dipendenti. Il ciclo si conclude con l'eliminazione nell'ambiente degli stessi composti chimici di partenza e cioè acqua e anidride carbonica. Per i biologi un vivente è tale anche in quanto reagisce per ripristinare il suo equilibrio turbato da sollecitazioni ambientali e ciò a tutti i livelli di organizzazione. La reattività del vivente può essere istantanea oppure "schedata" nel codice genetico; in questa seconda alternativa il risultato potrà dimostrarsi positivo o negativo solo dopo tempi molto lunghi. Conseguente è la teoria dei tentativi (saggi o prove) e degli errori, intendendo questi ultimi come fattori positivi per le correzioni: mira a un effetto temporale che per l'individuo è dell'ordine dei millisecondi, per le classi e le specie di milioni di anni. Comunque è sempre un bersaglio impensabilmente dilatabile della storia naturale a seconda delle circostanze nelle quali operano il vivente e l'ambiente tra loro compatibili o antagonisti. Da qui la vera strategia: slancio essenzialmente biologico prima, poi arte militare, politica e sociale che ha come denominatore comune (sia pure con differenti prospettive) la sottomissione dell'avversario reale o presunto al fine del raggiungimento di un equilibrio che nei viventi è sempre critico perché per tempi lunghi mai stabile e duraturo.

Questa breve premessa porta a una logica posizione. Da una parte i biologi (compresi in prima linea i chirurgi) che conoscono le proprietà ma non tutte le mutevoli possibilità della materia vivente e dall'altra chimici, fisici e ingegneri che dispongono di strumenti adatti alla valutazione di alcuni aspetti della complessa fenomenologia del vivente al fine di copiare, per correttamente capire, le concrete basi operative attuali e prospettiche degli organismi in generale e dell'uomo in particolare.

Seguono qui una serie di brevi esemplificazioni, al fine di una collocazione interlocutoria della b. in un contesto tanto ampiamente interdisciplinare.

Le trasformazioni di energia. - È genericamente accettata la definizione dei viventi quali macchine colloidali (dallo stato del protoplasma) a energia fisica e chimica. Sono stati progettati e costruiti automi terrestri che camminano trasformando la luce in elettricità che alimenta le ruote motrici. Se il modello è acquatico avrà, al posto delle ruote, eliche o pale con lo stesso risultato: i ponti solari (attualmente applicati ai satelliti artificiali) hanno un'autonomia di anni. I "pesci artificiali" possono navigare in acqua (dolce o salata) avendo come generatori solo delle parti in rame e zinco che funzionano come una pila voltaica. L'efficienza è in funzione della temperatura del mezzo ambiente e della polarizzazione degli elettrodi. Un modello acquatico a ponte solare e a chiglie rame-zinco non solo naviga in critiche condizioni di luce ma è capace di maggiori prestazioni per automatica depolarizzazione dei metalli che, a seconda dei livelli energetici, si comportano da pila o da cella elettrolitica.

I viventi hanno suggerito alla b. anche un'altra modalità di locomozione acquatica oltre quella realizzata negli unicellulari con ciglia o flagelli o ameboidismo e nei pluricellulari con movimenti del corpo, pinne e arti palmati. È la propulsione a getto o a reazione tipica di certi Molluschi che raggiunge il massimo perfezionamento nei Cefalopodi: seppie e calamari. L'animale aspira acqua e la spinge sotto pressione attraverso un ugello di scarico, realizzando così repentini spostamenti. Anche in alcuni Pesci la rapida chiusura degli opercoli branchiali funziona da motore ausiliario nel nuoto. Non è difficile costruire seppie e calamari artificiali che navigano trasformando energia luminosa o chimica in energia meccanica e lo studio dei valori della spinta, attraverso il modello, è tutt'altro che inutile per la comprensione dei meccanismi che determinano la navigazione dei reattori acquatici viventi.

Sempre a proposito del movimento in ambiente acquatico è ammirevole la costituzione antivortice del sistema tegumentale dei delfini. Gl'ingegneri navali hanno fatto un "calco" della pelle di questi Mammiferi e su questo hanno stampato lamiere per scafi di sottomarini o siluri. A parità di potenza le prestazioni dei vettori così costruiti sono nettamente superiori a quelle di scafi convenzionali, la velocità dei quali è negativamente condizionata dalle turbolenze generate dal moto nell'acqua.

Una legittima obiezione è che in tutti questi automi l'operatore meccanico è sempre un motore elettrico rotativo più o meno sofisticato e non un motore lineare, come il muscolo, che opera contraendosi o rilasciandosi. Dispositivi artificiali costituiti da fibre di acto-miosina (proteine muscolari) o collagene (catgut) non sono insensibili a stimoli prevalentemente chimici ma con efficienza solo dimostrativa e non operativa. La realizzazione di un motore lineare è per la b. indiscutibilmente, da tutti i punti di vista, uno dei problemi fondamentali forse affrontabile solo con l'equivalente competenza di biologi, biochimici, biofisici e ingegneri: senza ordine di precedenza qualitativa.

Arco riflesso e tartarughe elettroniche. - La b. ha riprodotto archi riflessi artificiali come modelli di riflessi spinali dei Vertebrati: una rana privata di encefalo che risponde a uno stimolo meccanico o chimico con la contrazione muscolare. La reazione della rana spinalizzata conferma tante osservazioni fatte su diversi materiali zoologici e inoltre propone e imposta la problematica e il significato dei fenomeni elettrici in biologia. Senza voler enfatizzare, si può affermare che Volta, Galvani, Lavoisier, Von Helmholtz e altri sono stati dei bionici progettisti e costruttori di uno dei "ponti" che uniscono la materia inerte con il mondo dei viventi. L'arco riflesso ha avuta una sua evoluzione come vi è stata evoluzione nella scala zoologica: è un meccanismo omeostatico che riceve un segnale e dà una risposta semplice o complessa che comunque corregge, ottimizza o annulla lo stimolo.

Un'ameba se viene toccata con un filo si contrae benché non esistano in questo unicellulare veri e propri recettori, neuroni e fibre muscolari: anche se la reazione alla sollecitazione non è riferibile a un "arco riflesso", il risultato è lo stesso. È dimostrabile così una fondamentale abilità della sostanza vivente, inesistente nella materia bruta, e cioè la possibilità di ricezione, integrazione e risposta. Già a livello di organizzazioni elementari o primitive appaiono strutture individuabili come tentativi di centralizzazione per differenti sensibilità in organi rudimentali che traducono le spinte stimolatrici: sensilli per le correnti liquide e per contatti meccanici (pressione), per elementi o composti chimici (olfatto), termorecettori per le variazioni della temperatura ambientale e fotorecettori come il punto rosso di taluni Flagellati che prelude alla comparsa delle macchie oculari delle planarie e dell'occhio degl'Invertebrati e dei Vertebrati; per la sensibilità acustica si può risalire alle sollecitazioni meccaniche. Nell'arco riflesso dei Metazoi sono coinvolti, sia pure con numerose varianti differenziative, i sensori, le cellule nervose e gli effettori ed operatori (muscoli o ghiandole) tramite una vasta costellazione di mediatori elettrici e chimico-fisici. Anche in alcuni vegetali (mimosa, piante carnivore, girasole, ecc.) si hanno risposte meccaniche sorprendenti, che sono però risultato di conduzione o comunicazione tra cellula e cellula senza l'intervento di trasduttori neuronici che nelle piante non esistono. Le affermazioni che questi viventi sarebbero psicologicamente abilitati a entrare in contatto con il mondo animale e con la mente umana sono, allo stato attuale delle cose, teoricamente criticabili e sperimentalmente insostenibili per carenza di metodologia.

Tornando agli automi o robots, forse i più conosciuti, perché suggestivi su di un piano didattico e scientifico, sono le tartarughe elettroniche del neurofisiologo W. Grey Walter. Questi modelli compiono una serie di lenti movimenti e, sollecitati da stimoli luminosi, si dirigono verso la luce o la evitano (fototropismi positivi o negativi) a seconda dell'informazione ricevuta dal costruttore. I motori elettrici che azionano le ruote motrici sono alimentati da accumulatori che a determinati livelli di carica modificano il programma esecutivo: la tartaruga accosta e prende contatto con un caricabatterie e, fatto il pieno di energia elettrica, si rimette in movimento e continua a peregrinare evitando e superando gli ostacoli che possono schermarle la sorgente di luce che l'attrae. Sono state costruite tartarughe più "evolute" perché abilitate alla recezione di stimoli non solo luminosi ma anche acustici, termici e olfattorî e che pertanto rispondono positivamente o negativamente a sollecitazioni di diversa natura. In questi modelli viene simulato con materiali elettrici, elettronici e meccanici l'arco riflesso animale sia pure entro limiti che, benché sorprendenti, rimangono schematici. È infatti ovvia l'impossibilità di decisioni non previste dal progettista: questi automi "si aprono e si chiudono su sé stessi" così come sono stati programmati: la loro incapacità di autoriparazione e riproduzione, tipica ed esclusiva dei viventi, non richiede commenti, così come l'impossibilità di trasformare materiali eterogenei in omogenei. Sono però preziosi per lo studio e l'analisi dei sistemi di guida e di controllo.

Il volo. - La storia naturale insegna che le forme sono passate dall'ambiente acquatico a quello terrestre e aereo: i soli spazi realisticamente concepibili ed ecologicamente compatibili. Il volo extraterrestre (che propriamente non è un volo) non è naturale - ed è pertanto abionico - pur essendo il risultato dell'ingegno e della tecnologia umana. Solo gli Uccelli e i Mammiferi e rari Vertebrati di altre classi attualmente viventi detengono, insieme con gl'insetti, il controllo dell'aria con lo strumento delle ali battenti, non cioè con le eliche o i getti dei nostri aerei e missili.

La propulsione a reazione si trova, come già detto, in animali acquatici, mai nei volatori: un tentativo di spiegazione è nella manovrabilità del vettore in ambienti di caratteristiche fisiche completamente diverse come l'acqua e l'aria. Le ali battenti, geometricamente molto versatili, garantiscono sicura navigazione tra ostacoli ed economia di energia in volo planato. I reattori invece si affidano solo alla spinta dei motori, la portanza delle ali, ridotte al minimo di superficie, è critica, il contatto con la terra esige per il decollo e l'atterraggio aree idonee: in realtà sono dei proiettili e non dei volatori che guadagnano in velocità ma scadono in manovrabilità. Molto più secondo natura, per concezione, sono gli elicotteri che si riferiscono al volo degl'Insetti e di alcuni Uccelli (colibrì). Le ali battenti riportano al tentativo mitologico di Dedalo e Icaro che, attraverso l'ingegneria di Leonardo, si traduce nei veleggiatori umani (ricordati nelle cronache dei nostri giorni) che con ali artificiali e senza motori sono capaci di lunghe escursioni aeree sfruttando termiche ascensionali, brezze e venti. Conferma sperimentale, sia pure empirica, è data dal confronto di due modelli (identici per dimensioni e peso) con motore a elastico che aziona ali battenti o un'elica: il primo ha un comportamento più biologico del secondo in pieno accordo con il pensiero di Leonardo, di Steele e dei bionici.

Altro argomento che meriterebbe interessante riesame riguarda un tema caro agli anatomo-comparati, cioè la struttura e la funzione delle ossa pneumatiche degli Uccelli che raggiungono due obiettivi: peso ridotto delle portanti alari e serbatoi di aria per la respirazione. I grandi volatori alternano differenti meccaniche respiratorie in funzione del lavoro muscolare richiesto dalle ali battenti per la propulsione o solo spiegate per il veleggiamento direzionale (aliante che cabra, picchia o plana).

Il significato esatto del termine "volo", mentre è chiaro per gli animali, dovrebbe essere puntualizzato e discusso per i vegetali. Omettendo le modalità della fecondazione anemofila, è noto che i semi di alcune piante sono dotati di appendici alari e di "paracadute": suggerimento approfondibile dalla b., sia pure con molta cautela.

Ecoguida ed ecolocazione. - L. Spallanzani è stato il primo a intuire che i pipistrelli avessero un nuovo senso. Il suo sospetto è stato confermato da rigorosa sperimentazione che ha dimostrato come questi Mammiferi volatori possano avvertire un ostacolo fisso, un bersaglio in fuga o in rotta di collisione lanciando treni d'onda di frequenza ultrasonica (20.000-80.000 Hz o più, secondo le specie) dei quali ricevono l'eco diretta o l'effetto Doppler. I segnali emessi dalle narici, corredate da strutture anatomiche simili a uno specchio parabolico direzionale (ferro di cavallo), vengono ricevuti dalle orecchie di mirabile geometria interna e dal sistema acustico altamente differenziato. È un sonar naturale di elevata efficienza in quanto la vista, inefficace nell'oscurità, è vicariata da questo ecoscandaglio. Le comunicazioni animali a mezzo di ultrasuoni sono più diffuse di quanto si possa credere: Insetti, Roditori, Cetacei, ecc., con l'abilità a ricevere l'eco delle proprie emissioni non solo mantengono contatto tra di loro (scienza delle comunicazioni) ma configurano non otticamente ma acusticamente l'ambiente.

Non è molto difficile costruire dei pipistrelli elettronici che emettono segnali ultrasonici e si guidano sull'eco variabile per modulazione di frequenza o di ampiezza. Le alte frequenze acustiche di emissione sono strettamente direzionali, per la corta lunghezza d'onda, e permettono perciò un comportamento motorio quanto mai suggestivo, preciso e bionicamente realistico anche in modelli acquatici. Ci si riferisce al radar anche per alcuni Pesci nei quali l'emissione di scariche elettriche ha non solo significato difensivo ma ubicativo grazie, anche in questo caso, al segnale di ritorno.

Nell'ambito dell'ecolocazione in ambiente acquatico andrà inoltre ricordata la linea lateriale dei Vertebrati acquatici: altro "senso" bionicamente comprensibile e riproducibile che consente a questi animali la ricezione di onde riflesse così come, sotto certi aspetti, la vescica natatoria dei Pesci ossei che, tra l'altro, dà nozione delle pressioni a differenti quote di navigazione.

Gli organi artificiali. - Un discorso sia pure breve sulla b. non può tralasciare i problemi e le conquiste della chirurgia poiché in questa scienza convergono morfologia, fisiologia e ingegneria. Il chirurgo ha un'ampia problematica biologica generale e anatomo-comparativa in particolare. In certi casi per superare condizioni critiche deve riferirsi a situazioni collaudate dall'evoluzione come quando, dovendo asportare la vescica urinaria, innesta gli ureteri sull'intestino retto riferendosi alla naturale meccanica e fisiologia dei cloacati. Di esempi se ne potrebbero portare, e pertinenti, per i sistemi scheletrico, nervoso, circolatorio, escretore, ecc. L'ortopedico deve conoscere la meccanica classica di Galilei e Borelli, il neurochirurgo deve ragionare e saper muovere le mani meglio di un progettista di microcircuiti elettronici a componenti integrati. Il chirurgo del cuore e dei grossi vasi non può ignorare le leggi dell'idrodinamica e la meccanica delle valvole che determinano i flussi e il significato dei vortici. Così per chi interviene sul rene sono fondamentali le acquisizioni chimico-fisiche sull'ultrafiltrazione, sulla dialisi e sul comportamento delle membrane artificiali.

In ogni modo la strada maestra è stata tracciata dall'evoluzione dei viventi e solo seguendola si potranno ottenere successi di elevato interesse umano e umanítario: come ora i sordi possono udire, forse domani determinate forme di cecità potranno essere riparate o corrette. Senza dubbio la b. e la bioingegneria hanno questi similari obiettivi, che tuttavia non possono trascurare le problematiche storiche e filosofiche, di esteso retroterra, che hanno il nome di caso e anticaso, vitalismo e meccanicismo, finalismo e materialismo.

Per correttezza va precisata la profonda differenza tra organi e organismi artificiali. I primi sono parti o moduli che vicariano un settore difettoso dell'insieme e si sono dimostrati altamente lodevoli, efficienti e operativi nel logico ambito delle loro possibilità e abilità funzionali: qui la b. e la bioingegneria hanno reali e concrete prospettive. I secondi, benché suggestivi e con potenzialità reali e di prospettiva non indifferenti, operano in logico ossequio alla mente dell'uomo che li ha programmati restando preclusi ad autonome libertà e vere e proprie scelte decisionali (per una ulteriore trattazione dei problemi teorici, v. anche bioingegneria, in questa Appendice).

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