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La capacità di una struttura di percepire una sollecitazione, interpretarla e rispondere ad essa segna l’inizio di una nuova era nell’ingegneria dei materiali, in cui la materia si trasforma in un sistema attivo, capace di generare informazioni e adattarsi all’ambiente in cui si trova. In questo ambito di ricerca, dove il comportamento e la funzione derivano direttamente dalle proprietà del materiale, si sviluppa il lavoro di Eleonora Tubaldi, docente presso l’Università del Maryland negli Stati Uniti. «Non desideriamo che una struttura si limiti a deformarsi sotto un carico», chiarisce. «L’intento è far sì che essa possa informarci su ciò che sta accadendo e, contemporaneamente, modificare il proprio comportamento in base agli stimoli ricevuti». Si tratta di un cambiamento di prospettiva che prende ispirazione più dal regno biologico che da quello dell’ingegneria convenzionale, dove l’intelligenza non è localizzata in un singolo punto, ma distribuita su un materiale esteso.
Questa narrazione ha origini anche nella storia personale di Tubaldi. Cresciuta a Recanati nelle Marche, ha nutrito fin da giovane una curiosità per i fenomeni fisici complessi. Un esempio emblematico è la vela di una barca: una superficie che si deforma sotto l’azione del vento e genera una forza propulsiva, interagendo con un fluido e con un ambiente in continua evoluzione. Da qui nasce l’interesse per l’interazione tra strutture e fluidi, che l’ha portata a studiare ingegneria aerospaziale al Politecnico di Milano e successivamente a proseguire il suo percorso in Canada, all’École Polytechnique di Montréal. In queste esperienze ha consolidato una duplice traiettoria, tra lo studio delle strutture e dei fluidi, che continua a orientare tutta la sua attività di ricerca. «Si passa da ali aeronautiche a sistemi sottomarini fino al corpo umano», racconta la professoressa. «Alla base c’è però sempre la stessa fisica: cambiano le scale, cambiano i materiali, ma le equazioni rimangono invariate».
Questo principio diventa chiaro quando, dopo aver lavorato su sistemi aeronautici e marini, Tubaldi decide di concentrare la propria attenzione sul sistema cardiovascolare. Il passaggio potrebbe sembrare netto, ma in realtà anche qui si tratta di comprendere come una struttura deformabile interagisce con un fluido, in questo caso il sangue. «La deformabilità delle arterie è cruciale: se fossero rigide, il cuore dovrebbe essere molto più grande per garantire la stessa circolazione», chiarisce. «È proprio la capacità di deformarsi che rende il sistema efficiente». Questa abilità porta progressivamente a una nuova fase della ricerca, in cui non ci si limita più a osservare e modellare il comportamento dei materiali, ma si inizia a progettarlo. Entrano così in gioco i metamateriali, strutture artificiali concepite per ottenere proprietà non presenti in natura.
Il lavoro su questi sistemi si inserisce anche in un contesto internazionale in cui orientare la ricerca diventa parte integrante del processo, contribuendo a definire ciò che viene esplorato e approfondito nei vari ambiti. In questo contesto, Tubaldi è coinvolta nel network della rivista Nature come associate editor di una collezione sulla rinomata npj Metamaterials, dove contribuisce a selezionare e organizzare studi che indicano le direzioni emergenti del settore, coordinando il dialogo tra revisori e comunità scientifica. L’attenzione si concentra in particolare sulle opportunità offerte dalla manifattura additiva, che consente di realizzare strutture complesse e multifunzionali precedentemente difficilmente accessibili.
«Parliamo di materiali con comportamenti controintuitivi: possiamo progettare strutture che, quando vengono compresse, si contraggono anche nella direzione opposta anziché espandersi», chiarisce. «Questo tipo di comportamento non è comune nei materiali naturali». La chiave risiede nella ripetizione di unità elementari, come in un puzzle, che possono essere combinate in modi diversi per ottenere risposte specifiche. La struttura è programmabile nel senso che il suo comportamento può essere definito in anticipo in funzione degli stimoli che riceverà, senza necessità di sistemi di controllo esterni. In questo modo, la funzione emerge direttamente dall’organizzazione interna del materiale, riducendo la necessità di sensori o componenti elettroniche.
È proprio questa semplificazione che apre a una serie di applicazioni in contesti dove l’elettronica tradizionale rappresenta un limite: nel campo della robotica soffice (soft robotics), ad esempio, Tubaldi lavora su sistemi capaci di interagire con oggetti e tessuti senza danneggiarli, sfruttando la deformazione del materiale per raccogliere informazioni. «L’obiettivo è fare in modo che il sistema possa riconoscere ciò con cui entra in contatto», aggiunge. Questa capacità diventa significativa in ambito medico, dove uno dei principali problemi della chirurgia robotica è la mancanza di feedback tattile. Il chirurgo può vedere, ma non percepire direttamente ciò che sta toccando. «Se riusciamo a ricostruire questa informazione attraverso il materiale, possiamo identificare differenze tra tessuti, individuare anomalie e migliorare la precisione degli interventi», chiarisce Tubaldi.
Allo stesso tempo, l’assenza di componenti elettroniche consente di utilizzare questi sistemi anche in contesti – come la risonanza magnetica o altre procedure diagnostiche – dove l’elettronica tradizionale non è compatibile. La stessa logica si estende a ambienti estremi come l’oceano e lo spazio, dove la disponibilità di energia è limitata e la complessità dei sistemi deve essere ridotta al minimo. Qui il gruppo di ricerca si occupa anche di materiali bioibridi, che integrano componenti biologiche per generare movimento o energia. «L’idea è sfruttare il comportamento naturale delle cellule per attivare il materiale senza dover ricorrere a batterie o sistemi esterni complessi», spiega. Così facendo, la distinzione tra supporto fisico, struttura e sistema tende a sfumare, dando vita a piattaforme integrate in cui la funzione è distribuita e non centralizzata. È un approccio che richiama modelli biologici, dove l’intelligenza non è concentrata in un unico organo, ma diffusa nell’intero organismo.
Guardando al futuro, questa traiettoria si traduce in una visione che mira a ridurre ulteriormente la distanza tra progettazione e applicazione. «L’obiettivo è creare piattaforme che consentano di realizzare strumenti su misura in tempo reale», spiega. «Partendo dalle informazioni che abbiamo su un paziente, possiamo simulare diverse soluzioni e identificare quella più adatta, per poi produrla direttamente quando necessario». La sala operatoria potrebbe così trasformarsi in uno spazio in cui progettazione e intervento avvengono quasi simultaneamente, grazie all’integrazione tra modelli digitali e tecnologie di produzione avanzata. «Immaginiamo di avere una sorta di laboratorio di ingegneria direttamente in sala, in cui è possibile generare strumenti e dispositivi specifici per ogni caso, sulla base delle esigenze reali del paziente», aggiunge Tubaldi. È uno scenario ancora in fase di sviluppo, che richiede di accelerare i tempi di calcolo e integrare sistemi complessi, ma apre la strada a una medicina sempre più personalizzata, in cui i materiali diventano il punto di convergenza tra progettazione e applicazione.
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