Come la stampa 3D aiuta le tartarughe marine con sindrome da galleggiamento positivo

La zona caudale a bolla, nota anche come sindrome da galleggiamento positivo, è una condizione sempre più comune tra le tartarughe come Charlotte, un esemplare maschio di tartaruga marina verde ospitato nel Mystic Aquarium, Connecticut. La sindrome è causata da traumi, in genere dovuti a scontri con imbarcazioni, e crea un'irregolarità nel guscio che intrappola aria, toglie spazio agli organi e rende molto difficile nuotare normalmente.

Charlotte è stato trovato nel 2008 a Jekyll Island, Georgia, ed è stato preso in custodia quando è diventato evidente che non poteva nuotare o mangiare abbastanza per sopravvivere. Il team del Georgia Sea Turtle Center si è preso cura di lui prima di chiedere il supporto del Mystic Aquarium.

La dottoressa Jen Flower, all'epoca veterinaria capo del Mystic Aquarium, si è subito resa conto che Charlotte (il nome è stato mantenuto nonostante sia poi stato identificato come maschio) aveva bisogno di aiuto. I team di acquaristi e veterinari del Mystic Aquarium hanno provato di tutto, dall'applicazione di pesi direttamente sul guscio all'uso di una cintura piombata con diverse cinghie in tessuto. I primi tentativi si sono rivelati infruttuosi: l'adesivo provocava irritazioni e Charlotte riusciva a rimuovere i pesi sfregandosi sul bordo della vasca. La dottoressa Flower e il resto del team veterinario si sono resi conto che dovevano pensare a una soluzione fuori dagli schemi. L'uso della stampa 3D è stata la prima idea che hanno avuto.

Una fonte di ispirazione in particolare ha spinto il team del Mystic Aquarium a prendere in considerazione la stampa 3D. Una studentessa del Minnesota, Gabriela Queiroz Miranda, aveva sviluppato una cintura piombata proprio per le tartarughe che soffrono di sindrome da galleggiamento positivo. Queiroz Miranda aveva utilizzato uno scanner 3D e una stampante 3D per eseguire iterazioni e testare la sua soluzione sulla tartaruga della sua classe, Voldetort. Il suo progetto è stato pubblicato su Science News Explores; dopo aver letto l'articolo, la dottoressa Flower ha deciso di contattare Adia, un fornitore di soluzioni di stampa 3D del Connecticut. Quando la dottoressa Flower ha contattato l'azienda, il direttore della produzione additiva Nick Gondek ha capito subito che avrebbero potuto sfruttare la loro esperienza nella stampa 3D per una buona causa.

I workflow 3D eccellono nelle applicazioni che richiedono un certo grado di personalizzazione. Quando geometrie complesse, volumi ridotti e forme organiche rendono troppo difficile la produzione di parti con metodi tradizionali, la stampa 3D è l'opzione più semplice e conveniente.

"Il problema che abbiamo cercato di risolvere consiste essenzialmente nell'applicare pesi alla zona caudale del guscio di Charlotte, il che sembra molto semplice, ma si è rivelato con un processo molto impegnativo. L'unico modo per garantire aderenza e stabilità dei pesi era costruire un dispositivo personalizzato", ha spiegato Gondek.

Per creare il workflow 3D, Adia ha coinvolto Chris Wilczewski e il team di Functional 3D, che hanno aiutato il team a realizzare scansioni 3D ad alta risoluzione di Charlotte. Queste scansioni sarebbero state la base per il resto del progetto e avrebbero permesso a ingegneri e designer di creare una soluzione aderente ma allo stesso tempo confortevole, che potesse essere rimossa e modificata quando necessario.

Il team di Functional 3D doveva anche bilanciare la necessità di precisione e accuratezza con le precauzioni che la dottoressa Flower e il team del Mystic Aquarium avevano preso per preservare il benessere di Charlotte. "Il loro contributo ha rappresentato una parte significativa di questo progetto, poiché ha guidato il workflow digitale di design dell'imbracatura", ha affermato Gondek.

^{New Balance è leader nella progettazione computazionale di calzature e il suo Senior Creative Lead, Chris Wawrousek, ha visto l'opportunità di riutilizzare le proprie abilità di progettazione per una buona causa: sviluppare e modellare il sistema generativo che avrebbe potuto aiutare Charlotte e altre tartarughe come lui.}

Quando è arrivato il momento di sviluppare un design basato sui dati della scansione, Adia sapeva che esisteva un'azienda con il livello di competenza necessario. New Balance Athletics progetta e produce alcuni degli articoli sportivi più avanzati del settore grazie a una tecnologia di design all'avanguardia che consente di superare i limiti delle prestazioni sportive.

Il Senior Creative Lead dell'azienda, Chris Wawrousek, è un esperto di design computazionale. Questo termine si riferisce a un metodo che utilizza algoritmi e parametri preimpostati per raccogliere informazioni e generare un design in grado di risolvere i problemi presentati da tali informazioni, per poi eseguire simulazioni che forniscono un feedback e aiutano a perfezionarlo.

"La tecnologia digitale è stata di grande aiuto per risolvere i problemi di movimento di Charlotte. La progettazione computazionale entra in gioco quando non vuoi progettare manualmente singole parti, perché il processo richiederebbe molto tempo. Poter creare un workflow che permette di generare un'imbracatura personalizzata è un vantaggio notevole", ha affermato Wawrousek.

Il team ha utilizzato il design di Wawrousek per sviluppare diverse iterazioni, da un'ampia imbracatura simile a una cintura a piccole clip, fino a imbracature spesse con accoppiamenti a scatto. "Molte iterazioni sono nate pensando al benessere della tartaruga. Abbiamo dovuto individuare il punto del guscio in cui potevamo ottenere una leva sufficiente a mantenere l'imbracatura, ma anche capire come potevamo posizionare i pesi sull'imbracatura in modo che fosse possibile regolarne la posizione", ha spiegato Gondek.

Dopo mesi di lavoro, hanno trovato un'imbracatura comoda, leggera e regolabile che avvolge il bordo della guscio di Charlotte e può essere rimossa e regolata a seconda delle necessità. Sebbene fossero arrivati a un design realizzabile, il lavoro era tutt'altro che finito: dovevano produrre l'imbracatura massimizzando resistenza, accuratezza e ripetibilità.

Adia ha lavorato per anni con diversi materiali di stampa e produttori di stampa 3D, collaborando con molti di questi ultimi per trovare le soluzioni ideali. Oxford Performance Materials (OPM), azienda produttrice di materiali per la stampa 3D, ha aiutato a sviluppare un materiale personalizzato che potesse essere stampato su una stampante 3D a sinterizzazione laser selettiva (SLS). Le parti SLS erano di alta qualità e robuste e non appesantivano il corpo di Charlotte, permettendo una leggera flessibilità durante il movimento sott'acqua.

L'iterazione finale, stampata a 3D con la polvere SLS bianca di OPM, si è rivelata efficace: Charlotte era in grado di nuotare normalmente e di iniziare a esercitare le pinne posteriori, fattori che l'avrebbero portato verso un completo recupero. Ma il workflow di OPM è stato personalizzato, sia per quanto riguarda il materiale che il processo di stampa. Adia aveva bisogno di una soluzione che fosse all'altezza della scalabilità e dell'accessibilità del sistema di design computazionale di Wawrousek. "Abbiamo esaminato diversi processi di stampa 3D e abbiamo scelto la SLS per vari motivi. Il primo è stato il volume di stampa e le dimensioni dei componenti. Il secondo è che avremmo potuto realizzare parti senza supporti. Il terzo è che siamo riusciti a trovare i materiali con la rigidità necessaria per questo progetto", ha affermato Gondek.

La collaborazione di Adia con Formlabs ha presentato l'opzione perfetta: l'ecosistema SLS della serie Fuse di Formlabs permette di creare parti con la resistenza di livello industriale necessaria per l'imbracatura, ma con un workflow accessibile e un'ampia gamma di materiali. La Nylon 11 CF Powder di Formlabs offriva la rigidità che stavano cercando, senza però richiedere la stampante monolitica e il workflow complesso di altri sistemi di stampa 3D SLS. "Avevamo ricevuto diverse richieste di assistenza da parte di acquari. Abbiamo voluto progettare l'imbracatura in modo che occupasse il volume di stampa di una Fuse solo per motivi di accessibilità. Vogliamo che altri acquari e altre strutture abbiano accesso alle tecnologie SLS. L'ecosistema Fuse è uno dei più diffusi in assoluto, quindi sarebbe stato il più accessibile", ha spiegato Gondek.

Quando l'imbracatura finale è stata stampata, assemblata e fissata su Charlotte, il team era in apprensione. Con l'avanzare dell'età, Charlotte aveva sempre meno pazienza per sostenere lo stress di essere tirato fuori dalla sua vasca ed essere stretto in strane cinghie. Ma quando è stato rimesso in acqua, ha iniziato a nuotare felicemente e sembrava a suo agio.

Claire Bolster, sua responsabile e acquarista del Mystic Aquarium, ha affermato: "Sembra un'interazione molto positiva. È passato un po' di tempo dall'ultima volta che gli abbiamo messo l'imbracatura. Questa nuova versione sembra davvero un'ottima soluzione per lui. Man mano che riusciremo a fargliela indossare in modo più costante, potremo aggiungere pesi alla zona caudale e vedere come lo tollera. Ma per ora è un segnale molto positivo che si stia trovando bene fin da subito".

Ti interessa aiutare Charlotte e altre tartarughe come lui? I team di Adia e New Balance sono alla ricerca di persone qualificate che li aiutino a portare avanti questo progetto. Dai un'occhiata alla locandina qui sotto e compila il breve questionario se pensi di avere le competenze giuste.

Se hai un background in design computazionale, acquisizione 3D, riconoscimento delle caratteristiche, ingegneria dei materiali, stampa 3D di grande formato o nei meccanismi di finanziamento per progetti creativi e vuoi aiutare le tartarughe come Charlotte, compila un breve questionario. Il team che si occupa di Charlotte ti contatterà se le tue competenze sono adatte al progetto.