Formica rufa, la formica rossa. Foto: Ryszard/Flickr

La biomimetica è una disciplina che elabora meccanismi e strutture ingegneristiche ispirandosi a strutture e meccanismi biologici, frutto del lento lavorio della selezione naturale. Questo approccio ha prodotto, nel tempo, risultati di grande rilievo – ne sono un esempio gli arti bionici, che mimano con grande esattezza la morfologia e il funzionamento degli arti con lo scopo di sostituirli.

Dalla natura, in effetti, si può imparare molto: è un enorme deposito di idee e soluzioni a problemi complessi. Ne sono consapevoli gli autori di un articolo pubblicato su PNAS nel quale sono sintetizzati i risultati di una ricerca che ha, potenzialmente, un grande interesse applicativo.

Un gruppo molto eterogeneo di ricercatori tedeschi – comprendente esperti di medicina, chirurgia, morfologia funzionale biologia evoluzionistica – ha usato proprio la biomimetica per risolvere un problema comunemente riscontrato nell’ambito delle operazioni chirurgiche endoscopiche. Il porta-aghi endoscopico è uno strumento fondamentale per operazioni di precisione, necessario per realizzare suture di precisione in spazi molto ristretti e con visibilità ridotta. Si presenta – per i non addetti ai lavori – come una via di mezzo tra una pinza e una forbice, e serve a maneggiare l’ago da sutura all’interno del corpo del paziente.

Come riportano gli autori della ricerca, uno dei principali problemi dei modelli in commercio è che, spesso, la presa non è perfetta, e gli aghi possono ruotarsi o addirittura sfuggire, rallentano e in alcuni casi complicando l’operazione. Ciò è dovuto alla forma non ottimale della “pinza” che si trova all’estremità dello strumento.

Ma la natura ha già elaborato uno strumento ideale per questo scopo: uno strumento che garantisca una presa di precisione a grandezza miniaturizza, che garantisca al tempo stesso forza e delicatezza, e una certa mobilità per seguire i movimenti dell’ago nella sutura. Si tratta del morso della formica, che i ricercatori hanno studiato approfonditamente per comprenderne le caratteristiche morfologiche e applicarle allo strumento in questione.

Come ha sintetizzato in un’intervista Benjamin Wipfler, biologo evoluzionista del Leibniz Institute for the Analysis of the Biodiversity Change di Bonn e primo firmatario dello studio, le caratteristiche del morso della formica rossa (Formica rufa) a cui i ricercatori si sono ispirati per sviluppare nuovi modelli di porta-aghi endoscopici sono tre.

Il primo tratto interessante è la particolare “cerniera” che permette il movimento dell’articolazione. A differenza di una porta, che si muove su cardini allineati su un piano, la mandibola della formica non è perfettamente allineata su un solo piano, e dunque la chiusura non è immediata ma richiede un movimento più complesso e l’impressione di una certa forza. Una simile caratteristica, apparentemente svantaggiosa, è forse utile alle formiche nella misura in cui esse riescono a dosare la forza del morso in base alla situazione: se si deve rompere un oggetto duro o portare delicatamente un uovo da una parte all’altra del nido, il tipo di presa è lo stesso, ma la forza applicata varia.

La seconda caratteristica su cui i ricercatori si sono concentrati è la direzione dell’apertura mandibolare. Mentre negli umani questa avviene parallelamente alla testa, negli insetti l’asse della mandibola è inclinato sia orizzontalmente che verticalmente, rendendo possibile l’apertura in senso diagonale rispetto all’asse corporeo, e accompagnata da un movimento da dietro in avanti.

Infine, vi è il modo in cui i muscoli trasmettono alla mandibola la forza del morso. Il principio, spiega ancora Wipfler, è simile a quello delle forbici: maggiore è la distanza tra il muscolo e l’articolazione, maggiore è la forza trasmessa. Per via della particolare conformazione di questa articolazione, nelle formiche accade che l’intensità della forza trasmessa varia nelle diverse fasi della chiusura mandibolare, e il momento in cui la forza è maggiore corrisponde al punto di minore apertura (la fine del movimento).

Red wood ant mandibles can catch prey or carry a delicate egg. A study of the mandibles’ multiple planes of rotation informs the design of an improved needle holder for endoscopic surgery. In PNAS: https://t.co/w1TeeCfQko pic.twitter.com/qiBGsakw1L

— PNASNews (@PNASNews) February 20, 2024

Alla luce di questa approfondita analisi, i ricercatori hanno sviluppato tre diversi modelli 3D di porta-aghi basati su altrettanti design evoluzionistici, ognuno dei quali progettato per implementare una delle tre caratteristiche. In tutti e tre i casi, i modelli modificati hanno mostrato una forza e una stabilità molto maggiori (in alcuni casi, più del +200%) rispetto ai modelli standard, non ispirati al morso della formica. Tutti e tre i modelli, hanno concluso gli autori nell’articolo su PNAS, «raggiungono un buon compromesso tra forza di trasmissione, praticità d’uso e controllo da parte del chirurgo».

Il prossimo passo consiste nel trasformare questi modelli – per ora soltanto ideali – in prodotti reali e, compiendo un ulteriore passo in avanti, nello sviluppare un porta-aghi che combini tutte e tre le caratteristiche ottimizzandone le interazioni, come già avviene in natura.