Le nanotecnologie e la macchina da cucire

Posted on July 16, 2011 by

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Sempre più spesso si sente parlare dell’importanza futura delle micro e delle nanotecnologie, quasi mai di chi oggi se ne occupa. Noi ne abbiamo parlato con Riccardo Signoretti, ingegnere partito dal Politecnico di Torino, passato per Grenoble e Lausanne (tappe del master in nanotecnologie coorganizzato dai tre politecnici), per approdare in altri continenti, cercando esperienze e scambiando conoscenze, gioie e fatiche con altri esperti di questo settore tanto affascinante quanto  complesso e poco conosciuto.

Il master: a numero chiuso, in inglese, un primo semestre presso il Politecnico di Torino introdotti alla fisica quantistica, dello stato solido, dei semiconduttori, alle nano e microtecnologie, al design MEMS (Micro-electro-mechanical systems). Nel secondo semestre presso l’Institut National Polytechnique de Grenoble il focus è sulle tecnologie reali in cui sono applicate le nanotecnologie, dalla spintronica per dispositivi di memorizzazione di massa (hard-disk, RAM), alle applicazioni lab-on-chip (laboratorio in un chip: analisi chimiche eseguite all’interno di un piccolo chip), fino alla frontiera di interruttori elettronici realizzati con nanotubi di carbonio (diametro di un nanotubo: circa 1/50000 dello spessore di un capello umano).

Avevamo un po’ di perplessità sulla nostra capacità di capire qualcosa delle nanotecnologie con una semplice chiacchierata, ma siamo stati fortunati: il nostro nano-eroe sa descrivere in maniera semplice l’enorme importanza dell’applicazione di nanotecnologie

Pensate che la sutura medica che segue la fine di un’operazione chirurgica occupa fino al 70% del tempo dell’intero intervento. Tempo che potrebbe essere investito in maniera molto migliore, considerando anche che uno dei fattori che impatta maggiormente sulla qualità dell’operazione è la concentrazione e quindi la stanchezza del chirurgo. Nondimeno, la contaminazione dell’ambiente operatorio può essere ridotta quando è un robot ad eseguire l’operazione chirurgica (il robot penetra il paziente attraverso fori del diametro di 1cm, riducendo anche i tempi di degenza ospedaliera e di recupero del paziente).

Durante il periodo estivo Riccardo prosegue il percorso formativo con uno stage di chirurgia minimamente invasiva (MIS, Minimally Invasive Surgery) a Santa Cruz, California, U.S.A.

Da lì entra in contatto con alcuni chirurghi dell’ospedale di Seattle per la progettazione di un strumento per la sutura automatica (robotic assisted suturing) che possa essere integrato in una piattaforma robotica, e collabora con loro in teleconferenza, inizialmente partendo da alcuni disegni che cercano di rappresentare i movimenti che il robot avrebbe dovuto effettuare per emulare le mani del chirurgo; successivamente Riccardo ha un’idea, che ci racconta con giusto orgoglio:

Dopo alcuni tentativi con disegni che immaginavano possibili movimenti, il modo migliore per proseguire è stato video-registrare alcune operazioni chirurgiche per osservare i reali movimenti delle mani. Il meccanismo realizzato per emulare questi movimenti risulta complesso e ingombrante. Decido allora di guardarmi attorno per cercare quale meccanismo l’uomo abbia già inventato per manipolare del filo e creare dei nodi, l’attenzione ricade su di una comune macchina da cucire. Ecco l’idea di acquistare una macchina da cucire, su cui testare i movimenti in scala maggiore per studiarli e poi riprodurli su scale infinitamente minori, integrando il meccanismo con la speciale forma degli aghi da sutura.

Ecco un’immagine della sua storia che rimarrà nelle nostre memorie: Riccardo, armato di intuizione e spirito di ricerca, chiede di poter comprare una macchina da cucire domestica per i suoi esperimenti di robotica chirurgica. La risposta del suo referente californiano? “E’ una spesa sostenibile per il fondo previsto da questa ricerca? Bene, comprala con la carta di credito del laboratorio!”. California, ma sembra un’altra galassia rispetto alle dinamiche di finanziamento e burocrazia della ricerca italiana.

Dopo la California Riccardo torna in Europa, a Losanna, dove affronta l’ultimo semestre. Qui entra in contatto con membri del progetto ARAKNES, un progetto europeo di chirurgia minimamente invasiva per la realizzazione di minuscoli robot chirurgici inghiottibili. Nasce il forte interesse per l’high-tech applicato al settore medico.

Riccardo contatta via mail il prof. Shimoyama Isao per poter sviluppare il progetto di tesi nel suo laboratorio. Tappa successiva: lo Shimoyama-Matsumoto Lab dell’Università di Tokyo.

Mai prima di Riccardo un collaboratore sprovvisto di lingua giapponese vi era entrato. Qui sviluppa il suo progetto: un micromotore che, implementato in una pillola, consente di asportare eventuali formazioni cancerose dell’apparato gastro-intestinale ed eseguire una biopsia. Riccardo, partendo da uno studio teorico sulle performance dei materiali hard-ceramic (come il BST, Barium-Strontium Titanate) decide di realizzare un potente micro-motore depositando questo materiale sulla base del micro-motore attraverso un processo di Sol-Gel deposition.

La Sol-Gel deposition consiste nel versare delle gocce di solvente (in cui è disciolto il BST) sulla superficie da ricoprire; messa in rotazione la superficie, per effetto della forza centrifuga, il materiale si distribuisce uniformemente. Il materiale viene poi cotto in un forno per far evaporare i solventi e cristallizzare il BST. I tempi e le temperature di cottura sono critici, non esattamente conosciuti e rappresentano una conoscenza importante per il laboratorio. Occorre sperimentare tantissime volte prima di raggiungere l’esatta combinazione. Inoltre, per raggiungere spessori significativi (1-2 micrometri in questo caso) occorre depositare fino a 20 strati, e può richiedere fino a 16 ore di lavoro ininterrotto. Anche una minuscola contaminazione nello strato produce rotture del cristallo durante la cottura in forno: si tratta di una vera e propria sfida.

Seconda immagine culto: il processo di testing in laboratorio prende molte ore, non si può perdere tempo andando a dormire nel proprio alloggio o, peggio, rimandare al giorno dopo –  si dorme in laboratorio! Il nostro, assieme ai colleghi nipponici, viene fornito di un sacco a pelo e tanta fiducia nella buona riuscita del lavoro; i trenta trovano il proprio posticino nel laboratorio, così che il team non abbandona il campo che pare una pacifica, ottimista trincea. In nome della ricerca e della cura dell’umanità.

Un’ulteriore futuristica applicazione è quella di inserire in una capsula endoscopica, oltre alla micro-camera come già avviene, un micro-meccanismo che permetta una biopsia al momento dell’individuazione di una zona potenzialmente cancerosa e, quando la capsula è evacuata, ottenere una traccia del percorso ed una prima diagnosi.

Passione, dunque. Chiediamo a Riccardo quali siano le competenze necessarie, cosa bisogna sapere e saper fare, per riuscire in questo campo. Lui ci dice che competenze, materie e approcci diversi si fondono: ingegneria dei materiali, chimica, biologia, fisica quantistica… il sapere non ha confini definiti, e prevede capacità di adattamento, apprendimento e aggiornamento continue, sistemiche. Ad esempio, la realizzazione di un micro-motore richiede conoscenze di elettronica, elettrotecnica, nano-meccanica, design dei microsistemi, e processi tecnologici molto delicati come la Sol-Gel deposition che a sua volte richiede know-how di scienza dei materiali, chimica, fisica dello stato solido, e tanto altro.

In questo senso il Politecnico di Torino è sulla strada giusta: ha intuito la commistione di saperi eterogenei richiesti dallo sviluppo di nanotecnologie, ed è quindi preparata a formare professionisti come Riccardo. Il problema italiano non è quindi l’assenza di competenze all’avanguardia, ma la mancanza di collaborazione e partnership tra enti di ricerca e organizzazioni scientifiche-industriali che potrebbero investire e applicare con profitto scoperte e innovazioni presenti.

Italia a parte, il settore delle nanotecnologie è proiettato nel futuro, le conoscenze sono trasversali e in fase di accrescimento e consolidamento, gli enti di ricerca sono in fermento e le aziende cominciano a capire che possono sfruttare questo patrimonio attraverso una maggiore collaborazione e una più intensa azione di investimento strategico, nel medio e lungo (anzichè solo nel brevissimo) termine.

Le differenze culturali nell’approccio di ricerca, Riccardo le descrive così

In Giappone il team è composto da persone precise e ossessionate dalla perdita di tempo e di risorse, in un processo di produzione e sperimentazione molto rigido; non esiste antagonismo in questi gruppi di lavoro, esiste un gran rispetto per il lavoro e un forte spirito di abnegazione, a volte poco comprensibile per chi vuole ritagliarsi spazi oltre il proprio mestiere.  Altro mondo – continua – in California: più competizione tra i membri di un team di ricerca, ma enormi opportunità per innovare e proporre modi differenti di affrontare la ricerca (ndr: emblematico il caso della macchina da cucire).

Due culture diversissime, accomunate dalla passione per un mestiere e dalla fiducia nell’innovazione possibile, nel futuro vicino.

Ci lasciamo con una consapevolezza amara e un dolce augurio per Riccardo: questo aspirante responsabile R&D dovrà percorrere le prossime tappe della sua avventura lontano dall’Italia, arricchendo il suo bagaglio di culture diverse e nuove competenze, e andando così a fare la fortuna di qualche azienda internazionale. La sua verve e il suo entusiamo si stanno già muovendo verso nuovi progetti, nuove ricerche, nuovo valore.

 

Giuseppe e Paolo

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