Uno scarafaggio cyborg potrebbe aiutare a trovare dispersi in acqua: può resistere fino a 3 ore

Un gruppo di ricercatori ha effettuato un esperimento molto particolare su uno scarafaggio in uno studio pubblicato su Nature Communications. Il team di ricercatori di Fan e Sato, della Nanyang Technological University di Singapore hanno costruito e fatto "indossare" allo scarafaggio una piccola "muta" che gli permette di respirare anche sott'acqua, trasformandolo in quello che gli autori definiscono un insetto cyborg anfibio. In questo modo l'insetto può restare in acqua anche per tre ore senza alcun problema, attraversare cunicoli allagati e infilarsi in fessure alte appena due centimetri. L'obiettivo, però, non è creare uno scarafaggio acquatico. L'idea è molto più pratica ed è quella di rendere questi piccoli sistemi capaci di esplorare anche ambienti allagati. Se la tecnologia continuerà a svilupparsi, un giorno potrebbe essere impiegata durante le operazioni di soccorso dopo un terremoto, un'alluvione o il crollo di un edificio, entrando in spazi troppo angusti o troppo rischiosi per i soccorritori e persino per molti robot progettati per questo tipo di interventi.

Perché usare proprio uno scarafaggio: animali resistenti

Se l'obiettivo è entrare tra le macerie o infilarsi in una fessura larga pochi centimetri, verrebbe spontaneo pensare a un piccolo robot. Il problema è che, quando i robot diventano molto piccoli, aumentano anche le difficoltà tecniche. Batterie, motori e circuiti occupano spazio e, riducendo le dimensioni, si riduce inevitabilmente anche l'autonomia. Per questo alcuni ricercatori hanno scelto una strada diversa. Invece di costruire un robot da zero, sfruttano un animale che possiede già tutto quello che serve per muoversi: lo scarafaggio cammina grazie ai suoi muscoli e ricava energia dal metabolismo. I componenti elettronici aggiunti non lo fanno avanzare, ma  servono soltanto a guidarne i movimenti. In questo modo il consumo energetico del sistema "robotico" rimane estremamente basso. C'è poi un altro vantaggio: gli scarafaggi sono animali estremamente resistenti, riescono a infilarsi in aperture molto strette e si muovono con facilità tra detriti, tubazioni e altri ambienti complessi dove molti piccoli robot avrebbero difficoltà a procedere. In questo studio è stato utilizzato utilizzato in particolare lo scarafaggio sibilante del Madagascar (Gromphadorhina portentosa), che è abbastanza grande e resistente da sostenere il peso del dispositivo previsto.

Il problema dell'acqua risolto con una piccola "muta" subacquea

Per far funzionare il sistema, però, c'era prima di tutto da risolvere il problema della respirazione. Uno scarafaggio, infatti, non è in grado di sopravvivere a lungo sott'acqua. Non possiede dei polmoni, ma respira attraverso piccoli fori distribuiti lungo il torace e l'addome, chiamati spiracoli, da dove l'ossigeno viene trasportato all'interno del corpo da una rete di minuscoli canali, le trachee. Quando questi fori vengono coperti dall'acqua, il flusso d'aria si interrompe e l'animale va rapidamente incontro ad asfissia.

Per renderlo operativo anche sott'acqua, i ricercatori hanno quindi dovuto progettare una vera e propria "muta da sub" in miniatura. Il dispositivo è composto da tre elementi principali:

• guscio flessibile impermeabile che avvolge l'addome dello scarafaggio impedendo all'acqua di entrare.
• un piccolo generatore di ossigeno.
• sottilissimi tubicini che trasportano l'ossigeno direttamente agli spiracoli dell'insetto.

Per verificare quanto durasse la riserva d'aria i ricercatori hanno monitorato l'ossigeno presente all'interno della muta durante gli esperimenti. È bastato un millilitro di acqua ossigenata per produrre circa 6,2 millilitri di ossigeno. Nei primi minuti il livello è salito rapidamente, fino a raggiungere una concentrazione media del 47,4% dopo circa otto minuti. Poi ha iniziato a diminuire lentamente.

Anche dopo tre ore, però, era ancora pari al 14,8%, una quantità che, secondo gli autori, consente allo scarafaggio di continuare a respirare senza difficoltà. Quando questo valore scende sotto il 5%, l'attività degli insetti cala drasticamente e aumenta il rischio di morte. Gli autori hanno anche controllato che il dispositivo non avesse effetti negativi sugli animali. Cinque scarafaggi sono stati osservati per tre giorni dopo gli esperimenti, sono tutti sono sopravvissuti e hanno continuato a comportarsi normalmente. Anche la temperatura del generatore è rimasta stabile, oscillando tra 23,6 e 24 °C, senza produrre un calore sufficiente a disturbare l'insetto.

Attraversare spazi dove nulla altro può passare

Successivamente i ricercatori hanno anche modificato il sistema eliminando lo zaino esterno contenente l'elettronica e collocando questi componenti all'interno del corpo dello scarafaggio. In questo modo l'insetto è riuscito a passare attraverso una fessura sommersa alta appena 2 centimetri, una dimensione che rappresenta un ostacolo sia per gli insetti dotati di zaino esterno sia per molti piccoli robot anfibi. Inoltre questa configurazione rende il sistema più stabile e riduce il rischio che qualche componente rimanga incastrato durante l'esplorazione.

Un tempo di immersione fino a 2-3 ore

Il risultato più evidente riguarda proprio il tempo di immersione. Uno scarafaggio normale, completamente immerso, smette di muoversi nel giro di circa due minuti. Con la muta subacquea, invece, gli insetti sono rimasti attivi e hanno continuato a rispondere ai comandi per due o tre ore. Anche la velocità di movimento è rimasta abbastanza elevata. Sul terreno lo scarafaggio avanzava mediamente a 87,5 millimetri al secondo, sott'acqua la velocità diminuiva leggermente fino a 78,4 millimetri al secondo, una riduzione di circa il 10%, dovuta principalmente alla maggiore resistenza esercitata dall'acqua. Con il passare delle ore le prestazioni diminuivano gradualmente per effetto della fatica, ma dopo tre ore l'insetto continuava comunque a muoversi.

La prova nelle condizioni più difficili

Per verificare se il sistema potesse essere utile in situazioni simili a quelle di un disastro reale, i ricercatori hanno costruito un tunnel lungo 1,7 metri con due ostacoli consecutivi. La prima sezione era riempita di anidride carbonica. Questo gas, ad alte concentrazioni, può provocare rapidamente uno stato di immobilità negli insetti. Invece, la seconda sezione, era completamente sommersa dall'acqua. Gli scarafaggi senza muta hanno smesso quasi subito di rispondere agli stimoli nella zona ricca di anidride carbonica oppure sono andati incontro ad asfissia entro 45 secondi una volta immersi. Gli animali sono stati poi recuperati e si sono ristabiliti completamente dopo essere stati riportati all'aria. Quelli dotati della muta, invece, hanno attraversato senza problemi entrambe le zone mantenendo una normale capacità di movimento. In tutte e tre le prove effettuate sono riusciti a completare il percorso con successo!

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