La natura si domina ubbidendole.
– Francis Bacon
Per gli uomini la Natura è sempre servita da modello e da fonte di ispirazione per migliorare la qualità della vita. La Natura, per mezzo dell’evoluzione, dona infatti agli esseri viventi soluzioni “sperimentate” che combinano una grande efficacia ad un minimo dispendio di risorse. Il cervello umano ad esempio, con i suoi pochi watt di fabbisogno energetico, compete in molti ambiti con i più potenti e moderni supercomputer, questi ultimi alimentati da una potenza milioni di volte superiore (per saperne di più, leggete il precedente articolo Neurogrid: il circuito elettronico che replica il cervello umano).
“Biomimetica“ è il termine[1] che designa l’imitazione dei modelli, dei sistemi e delle forme della Natura ai fini della risoluzione di complessi problemi umani. Le applicazioni della biomimetica spaziano dalla robotica ai nanomateriali, dall’intelligenza artificiale al design e all’architettura.
Recentemente, un team di ricerca internazionale diretto da Justin Marshall, neurobiologo al Queensland Brain Institute dell’Università del Queensland, Australia, è stato capace di sviluppare un sensore che mima la capacità degli occhi di alcuni crostacei di filtrare la luce polarizzata.
La Natura presenta princìpi di progetto eleganti ed efficienti. Noi stiamo combinando i milioni di anni di evoluzione del mantis shrimp[2] (l’ingegneria della Natura) con i nostri relativamente pochi anni di lavoro con la tecnologia – afferma il prof. Marshall.
L’articolo in cui viene descritto questo innovativo sensore biomimetico è stato pubblicato lo scorso agosto su “Proceedings of the IEEE” con il titolo: Bioinspired Polarization Imaging Sensors: From Circuits and Optics to Signal Processing Algorithms and Biomedical Applications
Un primo piano del mantis shrimp, un tipo di crostaceo usato come fonte di ispirazione per l’innovativo sensore di polarizzazione biomimetico. Questo crostaceo usa dei complessi occhi per individuare le sue prede nell’ambiente marino: oltre alla visione a colori, può sfruttare la capacità di percepire la polarizzazione della luce. Photo: Alastair Pollock/Getty Images
Biomimetica in azione
L’occhio composito del mantis shrimp contiene gruppi di particolari fotocellule chiamate omnatidia. Ogni omnatidia combina i veri e propri fotorecettori con dei microvilli che filtrano la polarizzazione della luce. Per analogia, in questo nuovo sensore biomimetico gli elementi fotosensibili (basati sul paradigma di imaging “current mode CMOS”) sono monoliticamente integrati con nano-fili di alluminio che nell’insieme agiscono come filtro polarizzatore lineare. Il sistema di imaging risultante è compatto, e fornisce informazioni con alta fedeltà sia spaziale che temporale.
Biomimetica in azione: (Sinistra) L’occhio composito del mantis shrimp, dove microvilli filtranti la polarizzazione si combinano ai fotorecettori. (Destra) Un sensore “bioinpsired” di immagini CMOS con nanofili di alluminio posti direttamene sulla sommità dei fotodiodi per fungere da filtro polarizzatore lineare.
© 2014 IEEE
Applicazioni biomediche del sensore ottico “Bioinspired”
I tessuti cancerosi, essendo strutturalmente differenti dai tessuti sani[3], riflettono la luce con un differente grado di polarizzazione.
Attualmente il sensore messo a punto dal team del prof. Marshall è l’unico adattabile alla terminazione degli endoscopi flessibili che i medici usano per “serpeggiare” attraverso il corpo dei pazienti e guardarvi dentro. È quindi possibile rilevare la polarizzazione in vivo durante endoscopia per mezzo di misurazione real-time, ossia catturando le informazioni con valori di framerate tipici di un video.
Studi sui roditori hanno già mostrato come il nuovo sensore aiuti a rilevare neoplasie appiattite, che sarebbero altrimenti difficilmente individuabili mediante un esame endoscopico tradizionale. È da sottolineare infatti come le lesioni tumorali depresse nel 50%-80% dei casi passano inosservate usando una semplice endoscopia a colori.
Un esame diagnostico accurato deve avvalersi quindi di ulteriori accertamenti che richiedono una biopsia e un analisi istologica esterna. L’uso della rilevazione mediante le caratteristiche della polarizzazione permette invece di evitare di ricorrere al prelievo bioptico.
Il prof. Marshall sostiene che, in teoria, la ricerca potrebbe portare al riprogetto delle fotocamere degli smartphone, permettendo alle persone un automonitoraggio per il cancro alleggerendo il peso sui sistemi sanitari.
Le applicazioni biomediche del sensore non si fermano allo screening tumorale.
Un imaging dell’attività neurale che sfrutti la polarizzazione della luce riflessa dal tessuto nervoso è possibile grazie al fatto che durante un potenziale d’azione i neuroni mostrano un cambiamento nell’indice di rifrazione, che si traduce in un cambiamento nella polarizzazione. Nell’esperimento descritto dall’articolo, è stato possibile registrare in vivo l’attività neurale del lobo olfattivo esposto di una locusta, sottoposta a determinati stimoli olfattivi.
setup sperimentale per registrazione ottica dell’attività neurale in vivo basata sulla polarizzazione della luce. © 2014 IEEE
Questa nuova tipologia di sensori di polarizzazione bioinspired sta aprendo opportunità inedite nell’avanzamento delle neuroscienze. Ancora una volta, l’integazione monolitica del filtro con gli array di elementi CMOS e la conseguente compattezza del sensore rendono quest’ultimo l’unica soluzione per un dispositivo impiantabile in modelli animali, permettendo lo studio dell’attività neurale in animali svegli e liberi di muoversi.
Nell’articolo è stata proposta anche la possibilità di realizzare un sistema di imaging real-time per l’analisi delle caratteristiche di stress-strain di tessuti biologici molli, come i tendini, sotto condizioni di carico dinamico.
Il sistema di rilevamento della polarizzazione entra in gioco anche in quest’ambito perchè permette di ricavare il grado di allineamento delle fibre di collagene. Questi dati possono essere poi correlati con le proprietà meccaniche misurate sotto differenti condizioni di carico per ottenere una caratterizzazione della relazione struttura-funzione del tessuto.
Aspetti riguardanti il signal processing
Per l’implementazione del sensore mostrata, nonchè per gli sviluppi futuri, particolare attenzione dev’essere posta negli algoritmi di signal processing, in particolare nelle seguenti aree di ricerca:
- calibrazione del sistema per correggere errori dovuti a difetti della nanofabbricazione dei nanofili di alluminio
- interpolazione spaziale per aumentare la precisione
- processing per l’interpretazione visiva delle informazioni relative alla polarizzazione
Conclusioni
Concludiamo considerando come l’approccio biomimetico sia una grande risorsa per l’ingegneria e, come in questo caso, per sviluppare soluzioni tecniche per usi biomedici.
Nello sviluppo della tecnologia, collaborano con il prof. Marshall ricercatori della Washington University, Washington University School of Medicine, University of Maryland Baltimore County e della University of Bristol.
Di questa grande collaborazione il prof M. si dice entusiasta:
Il nostro team combinato è un buon esempio di come una collaborazione interdisciplinare nella scienza – tra neuroscienze dei sistemi visivi, fisica ed optoelettronica – possa fornire nuovi approcci veramente produttivi. La mia competenza è quella di trovare e descrivere elementi di design dei sistemi visivi presenti in natura e poi riconoscere dove gli ingegneri potrebbero usare queste innovazioni naturali.
Note:
[1]: fu Otto H. Schmitt a coniare il termine “Biomimetica” nel 1969.
Cfr. Schmitt O.H., ‘‘Some interesting and useful biomimetic transforms’’, Proceedings of Third International Biophysics Congress, Boston, Massachusetts, August 29–September 3, 1969, p. 297.
Citato in “BIOMIMETICS: Biologically Inspired Technologies”, pg.2
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[2]: ci si riferisce ai crostacei dell’ordine stomatopoda (mantis shrimp, in inglese).
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[3]: tipicamente i tessuti tumorali esibiscono una maggiore densità di fonti di scattering che causano un maggiore livello di depolarizzazione della luce riflessa.
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Riferimenti:
- http://spectrum.ieee.org/tech-talk/biomedical/imaging/mantis-shrimp-eyes-inspire-cameras-to-see-cancer
- Bio-Inspired Polarization Imaging Sensors: From Circuits and Optics to Signal Processing Algorithms and Biomedical Applications
Approfondimenti sulla biomimetica:
- BIOMIMETICS: Biologically Inspired Technologies (2006): un’esaustiva rassegna delle metodologie e dei principali ambiti applicativi della Biomimetica [vedi anteprima su google books]
- pagina web divisione Biomimetica ESA (European Space Agency): ESA/Advanced Concept Team/Biomimetics; un’interessante lista di progetti di ricerca della divisione Biomimetica dell’ESA (studi per l’emulazione della strategia di atterraggio degli scarafaggi, del sistema visivo del ragno saltatore, delle piante rampicanti, e molto altro)
- esempio di applicazione robotica di tipo biomimetico: robot corridore ispirato al velociraptor
Researchers Build Fast Running Robot Inspired by Velociraptor – IEEE Spectrum: un robot bipede costruito in Korea con un sistema di bilanciamento dinamico ispirato alla coda dei velociraptor
