Università di Genova, le diatomee ispirano D-HAT: il casco biomimetico

Dalle diatomee ai materiali del futuro: così la natura ispira caschi più sicuri, auto e imbarcazioni più resistenti

All’Università di Genova la ricerca studia le microstrutture delle alghe per sviluppare materiali leggeri, resistenti e capaci di assorbire gli urti. Il progetto D-HAT combina biomimetica, stampa 3D, intelligenza artificiale e ingegneria meccanica, aprendo nuove prospettive per la sicurezza, i trasporti e l’industria.

GENOVA – La prossima generazione di materiali potrebbe nascere dall’osservazione di organismi così piccoli da essere quasi invisibili a occhio nudo. Sono le diatomee, alghe microscopiche dotate di un guscio siliceo dalle geometrie straordinariamente complesse, che da milioni di anni svolgono una funzione essenziale: proteggere l’organismo con una struttura leggera, ma al tempo stesso resistente.

È proprio da queste architetture naturali che parte il lavoro di Flavia Libonati, 41 anni, docente di Progettazione meccanica e costruzione di macchine all’Università di Genova, dove dirige il laboratorio M3M, acronimo di Multiscale Mechanics of Multifunctional Materials. La ricerca, presentata al Festival della Scienza, dimostra come studiare la natura non significhi soltanto imitarne le forme, ma comprenderne i principi per progettare materiali con prestazioni difficilmente ottenibili attraverso le soluzioni convenzionali.

Il campo di applicazione è ampio: caschi protettivi, componenti per automobili e imbarcazioni, pannelli strutturali e, più in generale, materiali in grado di combinare leggerezza, resistenza meccanica e capacità di dissipare l’energia degli urti.

Il segreto delle diatomee: resistere con meno materiale

Le diatomee sono organismi unicellulari diffusi negli ambienti acquatici e svolgono un ruolo importante negli ecosistemi e nei cicli del carbonio e del silicio. Il loro involucro esterno, chiamato frustulo, è costituito principalmente da silice idrata e presenta una grande varietà di forme, pori, cavità e strutture geometriche.

È questa architettura a interessare gli ingegneri. Le prestazioni di un materiale, infatti, non dipendono soltanto dalla sua composizione chimica: contano anche la disposizione degli elementi che lo costituiscono, la distribuzione degli spessori, la presenza di vuoti e il modo in cui le forze si propagano al suo interno.

«Hanno incredibili proprietà meccaniche, fluidodinamiche, ottiche. Per questo sono d’ispirazione per arrivare ai materiali del domani», spiega Libonati.

Una delle intuizioni più interessanti riguarda proprio gli spessori variabili delle strutture naturali. A differenza dei tradizionali schemi a nido d’ape, nei quali gli elementi possono avere geometrie e spessori uniformi, le diatomee presentano configurazioni in cui ogni parte sembra rispondere a esigenze meccaniche differenti.

Secondo i risultati illustrati dalla ricercatrice, queste variazioni possono aumentare fino a due volte e mezzo la capacità di assorbimento energetico rispetto alle strutture di riferimento considerate nello studio. È un dato che va letto in relazione alle specifiche configurazioni e alle condizioni di prova, ma che indica il potenziale della progettazione biomimetica: ottenere prestazioni superiori intervenendo sulla geometria, anziché limitarsi ad aumentare la quantità di materiale utilizzato.

Il vantaggio industriale sarebbe duplice. Da una parte, ridurre il peso dei componenti; dall’altra, migliorare la loro risposta agli urti, alle vibrazioni e alle sollecitazioni meccaniche. Due obiettivi sempre più importanti in settori nei quali sicurezza, consumi energetici e sostenibilità sono diventati fattori competitivi.

D-HAT, il casco che imita le difese naturali

La prima applicazione concreta di questa filosofia progettuale è D-HAT, acronimo di Diatom-inspired Helmet Against Trauma: un concept di casco sviluppato dal gruppo di ricerca genovese, che immagina una nuova generazione di dispositivi protettivi ispirati alla struttura delle diatomee.

Il principio è quello di superare l’architettura tradizionale del casco, generalmente composta da un guscio esterno rigido e da uno strato interno deformabile, incaricato di assorbire parte dell’energia dell’impatto. Il progetto punta invece su una struttura interna tridimensionale, con geometrie studiate per controllare la deformazione e distribuire le sollecitazioni.

Il risultato atteso è un sistema capace di coniugare protezione, leggerezza e nuove funzionalità, con possibili applicazioni per chi va in bicicletta o in moto e per gli sportivi, compresi gli sciatori.

Il progetto è stato descritto in uno studio pubblicato nel febbraio 2025 sulla rivista scientifica Advanced Intelligent Systems. I ricercatori hanno utilizzato modelli digitali, simulazioni agli elementi finiti e prove di compressione su campioni realizzati con stampa 3D. I risultati indicano una capacità di assorbimento energetico comparabile a quella dei materiali convenzionali di riferimento, ponendo le basi per ulteriori sviluppi.

È importante sottolineare che si tratta di un concept in fase di ricerca e sviluppo, non di un casco già disponibile sul mercato e certificato per l’uso stradale. Prima di arrivare alla commercializzazione saranno necessari ulteriori test, verifiche di sicurezza, prove in condizioni dinamiche reali e valutazioni sulla durabilità dei materiali.

La novità, tuttavia, è significativa: non si cerca soltanto di rendere più resistente un prodotto esistente, ma di ripensarne l’architettura interna partendo da un modello biologico.

Stampa 3D e intelligenza artificiale: la geometria diventa un materiale

Il salto tecnologico è reso possibile dalla convergenza di tre ambiti: biomimetica, manifattura additiva e intelligenza artificiale.

La stampa 3D consente di realizzare geometrie interne complesse, con cavità, reticoli e variazioni di spessore che sarebbero difficili o costose da produrre con molte tecniche industriali tradizionali. In questo modo, la struttura non è più soltanto il supporto di un materiale: diventa essa stessa uno strumento per modificarne il comportamento meccanico.

L’intelligenza artificiale contribuisce invece a esplorare rapidamente le possibili configurazioni. Attraverso algoritmi di apprendimento automatico, i ricercatori possono mettere in relazione parametri come spessore, forma, dimensione delle celle e distribuzione dei vuoti con le prestazioni ottenute durante le simulazioni e gli esperimenti.

Un esempio concreto è uno studio del gruppo genovese pubblicato nel 2024 su ACS Materials Letters. Il lavoro combina simulazioni numeriche, prove su campioni stampati in 3D e tecniche di machine learning per progettare strutture ispirate alle diatomee, capaci di regolare il proprio comportamento in funzione delle sollecitazioni. Per uno specifico indice prestazionale, la configurazione sviluppata ha registrato un miglioramento del 250% rispetto alle strutture a nido d’ape convenzionali utilizzate come riferimento.

Questo risultato non significa che qualsiasi materiale ispirato alle diatomee sia automaticamente due volte e mezzo più resistente. Il confronto riguarda una determinata metrica di assorbimento energetico e specifiche geometrie sperimentali. Ma dimostra quanto la progettazione assistita dai dati possa ampliare le possibilità dell’ingegneria dei materiali.

Il vantaggio è anche economico: invece di realizzare e testare fisicamente un numero elevato di prototipi, è possibile restringere preventivamente il campo delle soluzioni più promettenti attraverso simulazioni e ottimizzazione digitale, riducendo tempi e costi nelle prime fasi dello sviluppo.

Dai compositi ai metamateriali: la nuova frontiera industriale

La ricerca genovese si inserisce in un cambiamento più ampio nel settore dei materiali avanzati. Per decenni, l’innovazione si è concentrata soprattutto sulla ricerca di nuove composizioni chimiche: leghe metalliche più performanti, polimeri più resistenti, ceramiche più dure, fibre più leggere e materiali compositi capaci di combinare proprietà differenti.

Oggi, a questa strada si affianca una prospettiva ulteriore: progettare materiali le cui proprietà derivano anche dalla loro architettura interna.

È il campo dei cosiddetti materiali architettati, che comprende strutture reticolari, schiume ingegnerizzate e, in determinate configurazioni, metamateriali meccanici. La loro risposta a una forza, a una vibrazione o a un impatto può essere controllata intervenendo sulla geometria, sulla disposizione degli elementi e sulla gerarchia delle strutture.

La biomimetica offre un catalogo straordinario di soluzioni da cui partire. Oltre alle diatomee, altri modelli naturali sono già oggetto di ricerca:

• La madreperla, grazie alla disposizione a strati delle sue componenti minerali e organiche, ispira materiali progettati per deviare le fratture e migliorare la tenacità.
• Le ossa, con la loro struttura porosa e gerarchica, suggeriscono come combinare leggerezza e capacità di sostenere carichi.
• Le ragnatele e le fibre biologiche, studiate per comprendere come ottenere elevata resistenza meccanica con una quantità limitata di materia.
• Le strutture cellulari e i gusci naturali, utilizzati come modelli per pannelli leggeri, protezioni dagli urti e componenti capaci di deformarsi in modo controllato.

La letteratura scientifica documenta già l’utilizzo della stampa 3D per sviluppare strutture ispirate a conchiglie, corna, zoccoli e altre architetture biologiche, con possibili applicazioni nei dispositivi protettivi e nelle zone di deformazione programmata dei veicoli.

La prospettiva è quella di passare da materiali progettati principalmente per resistere a una sollecitazione a materiali costruiti per reagire in modo selettivo: assorbire un urto, dissipare energia, favorire il passaggio di un fluido o controllare il trasferimento di calore.

Auto, nautica, aerospazio: dove possono arrivare i nuovi materiali

Le ricadute potenziali vanno ben oltre la sicurezza individuale. Uno dei settori più promettenti è quello automobilistico, alle prese con la necessità di ridurre il peso dei veicoli, migliorare l’efficienza energetica e aumentare la protezione degli occupanti.

Pannelli e componenti con geometrie interne ottimizzate potrebbero contribuire ad assorbire l’energia di un impatto, riducendo le sollecitazioni trasmesse alle parti circostanti. La stessa logica potrebbe essere applicata alle strutture di protezione delle batterie dei veicoli elettrici, dove la gestione degli urti rappresenta un tema particolarmente delicato. Si tratta, in questo caso, di possibili sviluppi applicativi, non di risultati già dimostrati per ogni specifica soluzione.

Un’altra area d’interesse è la nautica. Scafi, pannelli e componenti strutturali devono garantire robustezza, resistenza alla fatica e affidabilità in un ambiente aggressivo, senza penalizzare eccessivamente il peso dell’imbarcazione. Le strutture ispirate alle diatomee potrebbero offrire nuove soluzioni per componenti leggeri e capaci di gestire meglio le sollecitazioni.

Anche l’aerospazio guarda con interesse ai materiali architettati. In questo settore, ogni riduzione di peso può tradursi in vantaggi operativi, ma i requisiti di sicurezza, resistenza alle temperature e affidabilità sono estremamente rigorosi. Per arrivare a un impiego effettivo sarebbero quindi necessarie verifiche specifiche e processi produttivi adeguati.

Un ulteriore filone riguarda le proprietà multifunzionali. Uno studio pubblicato nel 2025 su Advanced Functional Materials, con il contributo del gruppo di Libonati, ha approfondito come le strutture ispirate alle diatomee possano combinare caratteristiche meccaniche e fluidodinamiche. Tra le applicazioni prospettate figurano filtri porosi, scambiatori di calore, sistemi per il rilascio di farmaci, strutture leggere e robotica.

In prospettiva, quindi, la stessa architettura potrebbe svolgere più funzioni contemporaneamente. Una struttura porosa, per esempio, potrebbe essere progettata per sostenere un carico e al tempo stesso consentire il passaggio di un fluido. È un approccio che interessa numerose industrie, dalla produzione energetica alla componentistica, fino alle tecnologie biomedicali.

La sfida della produzione: dal laboratorio alla fabbrica

Tra le opportunità e la diffusione industriale rimangono però alcuni ostacoli. Il primo riguarda la produzione su larga scala: realizzare una geometria complessa con la stampa 3D può essere relativamente semplice in laboratorio, ma produrre milioni di componenti con costi competitivi, qualità costante e tempi industriali è un’altra questione.

Occorre inoltre verificare come le strutture si comportino dopo migliaia di cicli di carico, in presenza di umidità, variazioni di temperatura, invecchiamento e urti ripetuti. Per i caschi, in particolare, la capacità di assorbire energia deve essere valutata attraverso prove rigorose e procedure di certificazione. Nei veicoli e nelle imbarcazioni, invece, entrano in gioco anche la riparabilità, la manutenzione e la compatibilità con le linee produttive esistenti.

C’è poi la questione ambientale. Utilizzare meno materiale e ridurre il peso dei componenti può contribuire a diminuire il consumo di risorse e l’energia necessaria durante l’utilizzo. Ma il bilancio complessivo dipende anche dall’energia impiegata nella produzione, dalla natura dei polimeri o degli altri materiali utilizzati e dalla possibilità di riciclare il prodotto a fine vita.

La biomimetica, dunque, non garantisce automaticamente una maggiore sostenibilità. Offre piuttosto strumenti per progettare soluzioni potenzialmente più efficienti, da valutare attraverso l’intero ciclo di vita.

La ricerca italiana nella competizione sui materiali avanzati

Il lavoro dell’Università di Genova evidenzia anche una dimensione strategica. La competizione tecnologica internazionale non riguarda soltanto semiconduttori, intelligenza artificiale e batterie: coinvolge sempre più anche i materiali, le tecniche produttive e la capacità di trasformare la ricerca scientifica in brevetti e prodotti industriali.

Per l’Italia, che dispone di competenze consolidate nella meccanica, nella componentistica automobilistica, nella nautica e nell’aerospazio, i materiali architettati possono rappresentare un’opportunità di innovazione trasversale. La possibilità di integrare progettazione digitale, simulazioni, stampa 3D e caratterizzazione sperimentale può inoltre favorire la collaborazione tra università, centri di ricerca e imprese.

Il passaggio decisivo sarà costruire una filiera capace di trasferire le conoscenze dai laboratori ai processi produttivi, sostenendo la sperimentazione, la proprietà intellettuale e la validazione industriale.

Il caso delle diatomee mostra, in definitiva, come una risorsa biologica apparentemente marginale possa diventare un modello per affrontare problemi molto concreti dell’industria contemporanea. Non è necessario riprodurre fedelmente la natura: il punto è capire perché una determinata struttura funziona e tradurne i principi in soluzioni tecniche.

La vera innovazione potrebbe quindi non consistere soltanto nel trovare materiali più resistenti, ma nell’imparare a utilizzare meglio quelli che abbiamo, progettandoli fin dall’inizio perché siano più leggeri, efficienti e multifunzionali. E, in questa prospettiva, un’alga microscopica può offrire indicazioni preziose per la tecnologia dei prossimi decenni.