Un metamateriale attivo fatto di piccole unità mechatroniche vibra in modo caotico e dopo qualche istante si sincronizza su un unico ritmo, come un'orchestra che trova il tempo senza direttore. Lo studio, pubblicato il 14 ottobre 2026 su Nature da un gruppo guidato da Jack Binysh (Università di Birmingham) e Jonas Veenstra (Istituto di Fisica, Università di Amsterdam), dimostra per la prima volta la formazione di un cristallo di tempo in un materiale progettato in laboratorio e composto da elementi che si comportano come robot.
Dal caos all'ordine: come funzionano i metamateriali attivi
Ogni cella esagonale del materiale combina parti elastiche, sensori, elettronica e attuatori che reagiscono ai vicini in modo non reciproco: la risposta di una cella all'altra non è specchiata nella direzione opposta. Da questa rottura di simmetria emerge quello che gli autori chiamano wave coarsening, un ingrossamento progressivo delle onde: le vibrazioni iniziali, piccole e disordinate, crescono in lunghezza d'onda, periodo e ampiezza finché l'intera struttura pulsa all'unisono.
Negli esperimenti, la stessa trama di tessere può ruotare come un anello o deformarsi secondo pattern precisi quando si modifica la frequenza di poche unità. Lo stato globale così raggiunto viene identificato come cristallo di tempo, una forma di materia in cui le componenti ripetono un ciclo regolare nel tempo invece che nello spazio: finora osservato soprattutto in gas atomici e sistemi fotonici, ora riprodotto in un corpo macroscopico fatto di parti elettromeccaniche.
Dove si studia la robotica bio-ispirata in Italia
Il paper è firmato da gruppi di Birmingham, Amsterdam, Lione, Delft, Leiden e Cambridge, ma il filone che unisce fisica dei sistemi attivi e robotica ha radici solide anche negli atenei italiani. Alla Scuola Superiore Sant'Anna di Pisa, il BioRobotics Institute include un'area dedicata a Bioinspired and Soft Robotics e un dottorato in BioRobotics con oltre 150 iscritti e circa 40 nuovi dottorandi l'anno, numeri che lo collocano fra le scuole più grandi del settore nel mondo.
A Genova l'Istituto Italiano di Tecnologia porta avanti programmi di soft robotics bio-ispirata, dai robot-pianta ai sistemi collettivi che imitano le colonie di insetti. Il Politecnico di Milano e quello di Bari hanno PRIN attivi su metamateriali meccanici e acustici; il CNR studia da tempo la sincronizzazione di oscillatori accoppiati, cioè la matematica che sta sotto a questo tipo di esperimenti e che ritorna anche nei modelli di reti neurali e di dinamica delle folle. Nella stessa Pisa, l'ateneo ospita anche REGEx, il centro UE sulle regole dell'innovazione, una concentrazione rara di competenze a cavallo tra ingegneria, fisica e policy.
Cosa cambia per i robot e per la didattica
Un materiale che si riorganizza da solo cambia la logica di progettazione dei robot. Oggi un robot è una macchina specializzata; con unità modulari che si sincronizzano, lo stesso corpo materiale può assumere comportamenti diversi cambiando l'input di vibrazione di alcune tessere. Veenstra parla di robot molto semplici ma multifunzionali, costruiti da tasselli identici: una direzione che riduce il peso del software di controllo e sposta parte dell'intelligenza nella fisica stessa del materiale.
Il salto non è solo ingegneristico. Il legame fra fisica dei sistemi fuori equilibrio e robotica, già visibile in esperimenti recenti come i robot umanoidi che imparano a gesticolare in tempo reale ascoltando la voce, apre un territorio didattico nuovo per le lauree in ingegneria e fisica, dove il modello di Kuramoto sulla sincronizzazione di oscillatori accoppiati smette di essere un esercizio teorico e diventa materiale di laboratorio.
Lo studio pubblicato su Nature descrive un prototipo e lascia aperti due nodi tecnici: controllare le forme con precisione e scalare il numero di unità oltre le poche decine testate in laboratorio. Per chi deve scegliere oggi un dottorato in ingegneria, fisica o robotica, i laboratori italiani di soft robotics sono una delle porte più dirette per entrare in questo filone, con bandi che si aprono tra la fine dell'anno e la primavera.
Domande frequenti
Che cos'è un cristallo di tempo robotico e perché è importante?
Un cristallo di tempo robotico è una struttura composta da unità meccatroniche che, dopo un iniziale comportamento caotico, si sincronizzano in un ciclo regolare nel tempo. È importante perché dimostra la possibilità di ottenere nuovi stati della materia con proprietà emergenti utili in robotica e fisica dei sistemi complessi.
Dove si studiano in Italia la robotica bio-ispirata e i metamateriali attivi?
In Italia, la robotica bio-ispirata e i metamateriali attivi si studiano in istituti come il BioRobotics Institute della Scuola Superiore Sant'Anna di Pisa, l'Istituto Italiano di Tecnologia di Genova, il Politecnico di Milano, il Politecnico di Bari, e vari gruppi di ricerca del CNR. Questi centri collaborano anche a livello internazionale e sono tra i più avanzati nel settore.
Quali sono le implicazioni di questa scoperta per la progettazione dei robot?
La scoperta suggerisce che i robot del futuro potrebbero essere costruiti con unità modulari capaci di sincronizzarsi autonomamente, permettendo molteplici comportamenti senza la necessità di un controllo software complesso. Questo approccio rende i robot più versatili e riduce la dipendenza dall'intelligenza centralizzata.
Come viene applicata questa ricerca nella didattica universitaria?
La ricerca apre nuove prospettive didattiche nelle lauree di ingegneria e fisica, dove modelli teorici come quello di Kuramoto diventano strumenti pratici di laboratorio. Gli studenti possono così sperimentare direttamente fenomeni di sincronizzazione e auto-organizzazione nei materiali attivi.
Quali sono le sfide tecniche ancora aperte secondo lo studio?
Le principali sfide tecniche riguardano il controllo preciso delle forme assunte dal materiale e la possibilità di scalare il sistema oltre le poche decine di unità testate finora. Sono aspetti che richiedono ulteriori ricerche per applicazioni pratiche più ampie.
