Il lavoro di ricerca pubblicato su Communications Materials ha dato origine anche a un brevetto
Il gruppo di ricerca coordinato da Barbara Mazzolai all’IIT-Istituto Italiano di Tecnologia ha realizzato per la prima volta un prototipo di velcro soffice, biodegrabile e solubile, ispirato alla struttura a micro-uncini delle foglie della pianta “attaccamani” (Galium aparine), da utilizzare in dispositivi per il monitoraggio e la preservazione dell’ambiente e l’agricoltura di precisione. Il lavoro pubblicato sulla rivista internazionale Communications Materials mostra come i micro-uncini artificiali possano essere applicati in una serie di dispositivi che, attaccati alle foglie delle piante, agiscono come una sorta di cerotti temporanei, rilasciando sostanze benefiche all’interno del loro sistema vascolare, oppure come mollettine intelligenti che comunicano via wireless lo stato di salute delle piante all’interno delle coltivazioni.
La ricerca è stata finanziata con il supporto della National Geographic Society e nell’ambito del progetto europeo GrowBot dedicato alla realizzazione di nuovi robot ispirati alle piante rampicanti e di cui Mazzolai è coordinatrice.
La pianta rampicante Galium aparine, detta comunemente “attaccamani”, possiede, grazie all’evoluzione, un peculiare meccanismo di ancoraggio parassita che la porta ad arrampicarsi su altre piante utilizzando dei micro-uncini presenti sulle sue foglie. Tali micro-uncini le permettono di ancorarsi alle superfici delle altre piante mentre cresce, sfruttando il loro supporto fisico.
I ricercatori dell’IIT hanno studiato la struttura di tali micro-uncini naturali sia dal punto di vista morfologico che quello biomeccanico, in modo da riprodurne artificialmente le caratteristiche. Gli uncini sono stati realizzati tramite una stampa 3D ad alta risoluzione, utilizzando diversi materiali molto resistenti e con caratteristiche adattabili al tipo di applicazione desiderata, quali per esempio materiali fotosensibili e materiali biodegradabili a base di isomalto, una sostanza simile allo zucchero.
“I nostri studi partono sempre dall’osservazione della natura, cercando di replicare le strategie degli esseri viventi in tecnologie robotiche a basso impatto ambientale”, commenta Barbara Mazzolai, Associate Director per la Robotica dell’IIT e responsabile del Bioinspired Soft Robotics Lab del lab di IIT. “Con questa ultima ricerca abbiamo ulteriormente mostrato che è possibile realizzare soluzioni innovative che non solo hanno l’obiettivo di monitorare lo stato di benessere del nostro pianeta, in particolare le piante, ma che lo facciano senza alterarlo”.
La struttura a micro-uncini è stata testata nelle sue capacità di ancoraggio, dimostrando di essere in grado di aderire su piante di diverse specie e in modo robusto. A partire da questa sorta di velcro i ricercatori hanno ideato diversi dispositivi da utilizzare nell’agricoltura di precisione e nella preservazione ambientale.
Una prima applicazione è stata pensata per penetrare nelle cuticole delle foglie in modo poco invasivo così da monitorare e, nello stesso tempo curare, le piante. I micro-uncini in isomalto, infatti, nell’adagiarsi sulla pianta possono accedere al tessuto vascolare della foglia e, essendo l’isomalto un materiale solubile, sciogliersi all’interno di esso. Tale applicazione permette di usare i micro-uncini come cerotti in grado di rilasciare sostanze curative, farmaci, pesticidi o batterici in maniera localizzata sulle foglie, ottimizzando l’uso delle risorse naturali e diminuendo l’uso eccessivo dei pesticidi contribuendo alla preservazione degli ecosistemi. Il cerotto, inoltre, dopo l’applicazione, non rappresenterebbe un rifiuto, poiché risulterebbe disciolto.
“L’utilizzo di questi microuncini è versatile e ci ha permesso di ideare diverse applicazioni, oltre che al deposito di un brevetto”, spiega Isabella Fiorello, ricercatrice nel gruppo di Mazzolai all’IIT di Genova e prima autrice dello studio. “L’ancoraggio si può sfruttare come mezzo per monitorare in situ il microclima della pianta, quali temperatura, umidità e luce, o per il rilascio controllato di molecole all’interno del tessuto vascolare della pianta”.
In particolare, gli uncini stampati in resina fotosensibile sono stati assemblati insieme ad elettronica e sensori di luce, temperatura e umidità, all’interno di un unico sistema, così da potere avere delle mollette intelligenti per il monitoraggio wireless della pianta, sia della parte inferiore che superiore della foglia. I ricercatori, infine, partendo dalla stessa struttura, hanno realizzato un sistema microrobotico in grado di muoversi con microspostamenti sulla superficie delle foglie.
Ulteriori informazioni
Fiorello et al., 2021, Communications Materials (Nature Portfolio)
Il brevetto è relativo a microuncini solubili per il rilascio in situ di molecole su tessuto fogliare di piante (depositato il 30/09/2021 in Italia).
Questo lavoro è finanziato dall’Unione Europea (Growbot project, European Union’s Horizon 2020 Research and Innovation Programme under Grant Agreement No 824074) e dalla National Geographic Society (under Grant Agreement No EC-62190T-19).
