I "baffi" dell'elefante funzionano come sensori
Per raccontare questa ricerca partiamo dalla fine: dall'immagine di una scienziata che, attraversando il corridoio del suo istituto, tiene in mano quella che sembra una bacchetta magica e che, invece, è un grande baffo stampato in 3D. Si muove nello spazio, tocca angoli, colonne, ringhiere e, a un certo punto, si rende conto di avere la risposta che stava cercando. Questa storia di scienza e intuizioni ha come protagonisti un gruppo di ricercatori e ricercatrici e i mille peli sensoriali che ricoprono la proboscide dell’elefante asiatico. Elephant whiskers: li potremmo definire baffi speciali e specializzati. Secondo il team di ricerca del Max Planck Institute for Intelligent Systems, della Humboldt University di Berlino e dell'Università di Stoccarda il segreto della sofisticata percezione tattile dell'elefante risiederebbe proprio in questi peli. Utilizzando metodi di microscopia avanzata, lo studio Functional gradients facilitate tactile sensing in elephant whiskers, pubblicato recentemente su Science, ha rivelato una forma di intelligenza materiale sofisticata dimostrando un potenziale per futuri approcci di rilevamento robotico.
Si legge nello studio: "La proboscide dell'elefante è ricoperta da circa mille peli che espandono il volume sensoriale di questa appendice estremamente agile. Non possono ricrescere e non presentano i muscoli locali innervati che consentono il caratteristico comportamento di whisking, movimento a scatto osservato in ratti e topi". Per questo motivo, spiegano gli autori e le autrici guidati da Andrew K. Schulz e dalla professoressa Katherine J. Kuchenbecker, "abbiamo ipotizzato che possano differire anche in altri aspetti fondamentali. Questo studio applica diversi approcci di misurazione per caratterizzare la geometria, la porosità e la rigidità delle vibrisse dell'elefante asiatico (Elephas maximus) e utilizza simulazioni meccaniche per mostrare come le caratteristiche rilevate possano influenzare la percezione tattile della proboscide".
"L'elenco delle imprese che Andrew Schulz ha visto compiere da un elefante con la sua proboscide è lungo quanto, beh, la proboscide di un elefante. Queste potenti proboscidi sono abbastanza forti da spingere alberi di oltre 400 chili e abbastanza delicate da raccogliere una tortilla chip senza romperla", scrive Sarah Kaplan su The Washington Post, commentando i risultati della ricerca. "Ora Schulz ha scoperto il segreto della straordinaria destrezza dei baffi".
Basi rigide, punte morbide
Primo autore dello studio, Schulz ha raccontato l'origine del progetto di ricerca: “Sono arrivato in Germania come esperto di biomeccanica degli elefanti con il desiderio di imparare la robotica e la sensoristica. La mia mentore, Kuchenbecker, è un'esperta di aptica e robotica tattile, è stato quindi naturale creare un ponte lavorando insieme sulla percezione del tatto attraverso la lente delle vibrisse di elefante”. Il team interdisciplinare ha esaminato i peli presenti sulla proboscide dell'elefante asiatico per comprenderne la forma (geometria), il grado di porosità e la morbidezza (rigidità del materiale). I gradienti di geometria, porosità e rigidità sembrano calibrati per potenziare la percezione tattile.
A differenza dei baffi dei ratti, rigidi lungo tutta la lunghezza, quelli degli elefanti presentano basi rigide e punte morbide: si tratta di una transizione, nota come gradiente funzionale, che permette di sfiorare gli oggetti con facilità, prevenire la rottura del pelo e fornire una codifica del contatto lungo tutta la lunghezza. I ricercatori ritengono che questo insolito gradiente di rigidità aiuti gli elefanti a individuare il punto di contatto lungo ciascun "baffo", consentendo così di raccogliere una patatina senza romperla o di afferrare con cura una nocciolina. Grazie a questa transizione gli elefanti ottengono due vantaggi chiave rispetto alle vibrisse omogenee: la riduzione dello stress alla base durante grandi deflessioni e l'amplificazione delle differenze di segnale sulla lunghezza. La vibrazione prodotta toccando un oggetto cambia a seconda che il contatto avvenga vicino alla base o vicino alla punta, permettendo all'animale di mappare lo spazio.
I baffi stampati in 3D
La micro-TC (micro-tomografia computerizzata) ha permesso di misurare la forma tridimensionale di diverse vibrisse, rivelando che quelle dell'elefante sono spesse e simili a lame, con una sezione trasversale appiattita, una base cava e diversi lunghi canali: l’architettura porosa riduce la massa e offre resistenza agli urti, permettendo agli elefanti di mangiare centinaia di chili di cibo ogni giorno senza temere di danneggiare le vibrisse, che non ricrescono mai. Tecnica che misura la durezza e l'elasticità di un materiale applicando una forza minuscola su una superficie microscopica, la nanoindentazione delle vibrisse di elefante e di gatto è stata eseguita con un penetratore di diamante a forma di cubo, premuto ciclicamente contro le pareti della vibrissa. L'indentazione eseguita alla base e sulla punta ha mostrato una transizione da una base rigida, simile alla plastica, a una punta morbida, simile alla gomma, che non poteva essere indentata permanentemente: una proprietà nota come resilienza. Il team ha anche confrontato questi peli con quelli del corpo dell'elefante: "I peli sulla testa, sul corpo e sulla coda degli elefanti asiatici sono rigidi dalla base alla punta - ha spiegato Schulz - ed è esattamente ciò che ci aspettavamo prima di trovare il sorprendente gradiente di rigidità di quelli presenti sulla proboscide".
Sebbene entusiasmante, la scoperta inizialmente lascia il team perplesso: non si capisce infatti come la variazione di rigidità possa influenzare la percezione tattile. Per cercare di capirne il motivo, Schulz riflette e collabora con i colleghi del Max Planck Institute for Intelligent Systems per stampare in 3D una vibrissa in scala maggiorata, con una base scura e rigida e una punta trasparente e morbida. Avere questo prototipo fisico, una sorta di bacchetta-vibrissa, ha aiutato i ricercatori a sviluppare un'intuizione su ciò che una proboscide percepisce attraverso i suoi peli. Schulz lascia la bacchetta alla sua mentore. La risposta arriva pochi giorni più tardi proprio da Kuchenbecker che, portando con sé la bacchetta, percorre spazi e corridoi dell'istituto, picchiettando colonne e ringhiere con parti diverse fino a rendersi conto che la bacchetta trasmette sensazioni distinte: morbide e delicate sulla punta, nitide e forti alla base. “Non c'è bisogno di guardare per capire dove avviene il contatto, semplicemente si sente".
