ביומימיקרי

משמעות המונח ביומימיקרי היא חיקוי החיים (Biomimicry: Bio=life; mimesis=imitate). ביומימיקרי היא דיסיפלינה רב-תחומית המקדמת חיקוי ולמידה מהטבע לפתרון בעיות בדרכים מקיימות.

חדש(נ)ות מהטבע ספטמבר 2016

קוראים יקרים שלום,

BIOX - מרכז הידע והחדשנות של הוראת תחום הביומימיקרי בישראל, ממשיך להתפתח. מעוניינים ללמד את התחום? היכנסו לאתר וצרו קשר: BIOX

נותרו  מקומות אחרונים בקורס למורים ומנחים המעוניינים לרכוש את הידע והכלים להוראת התחום בצורה שיטתית ומובנית. מקומות אחרונים שמורים גם למשתתפים שאינם מתחום ההוראה ומעוניינים בהקניית היסודות של התחום. הקורס יפתח ב- 19.10 ויתקיים ברמת הנדיב, בסביבת למידה נעימה, שקטה וטבעית. לפרטים וסילבוס 
החודש נעסוק בשיפור יעילות של פאנלים סולאריים בהשראת שושנה, באבחון סרטן בהשראת חסילון המנטיס, בגשש ביומימטי גמיש בהשראת איבר ההטלה של הצרעה, ולכל החולמים לרוץ, נגמרו התירוצים, נעל ריצה ביומימטית מתאימה לכם כמו כפפה ל...רגל.  

נסיים בברכת שנה טובה, שנת הגשמה, שנה מלאה בהשראה מהטבע בכל תחומי החיים.

 צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי

פאנלים סולארים ושושנים

מאת: אופיר מרום

חוקרים מצאו השראה במבנה עלי הכותרת של שושנים לשיפור היעילות של פאנלים סולארים.

בתהליך הפוטוסינתזה אצל צמחים, נקלטת האנרגיה שמגיעה מהשמש בפני השטח של הצמח, ומומרת לצורת אנרגיה חדשה. דבר דומה קורה בתהליך הפוטו-וולטאי, בו קרינת השמש פוגעת בפאנל סולארי והופכת בו לאנרגיה חשמלית. כמו בתהליך הפוטוסינתזה אצל צמחים גם בפאנלים הסולארים השאיפה היא לנצל ביעילות מקסימלית את אותה אנרגיה. לשם כך צריך לנצל טווח רחב מהספקטרום של אור השמש, וכן להיות מסוגלים ללכוד את האור כשהוא מגיע מכיוונים שונים במהלך תנועת השמש לאורך היום. לכן, זה רק הגיוני שמדענים יחפשו השראה בטבע עבור רעיונות לתכנון פאנלים סולארים חדשים.

חוקרים באוניברסיטת KIT שבגרמניה עשו בדיוק כך. ראשית, הם חקרו את תכונת פני השטח של צמחים שונים  לבלוע ולהחזיר את קרני האור הפוגעות בהם. עלי הכותרת של פרחי השושנים בלטו ביכולת גבוהה של בליעת האור, ולכן נבחרו כמועמדים טובים להמשך מחקר. בבחינה יסודית של עלי הכותרת תחת מיקרוסקופ אלקטרוני נמצא שתאי האפידרמיס, פני השטח של עלי הכותרת, מכוסים בבליטות מיקרוניות בצפיפות רבה אך ללא סדר מסוים. הבליטות עצמן לא היו חלקות, אלא היו מכוסות גם הן באופן אקראי בצלעות ננו-מטריות. החוקרים הניחו שהצורה האופיינית של פני השטח קשורה ליכולת הגבוהה של עלי הכותרת לבלוע את האור. בשלב הבא החליטו החוקרים לבחון אם אפשר להעתיק את התבנית הזו באופן מלאכותי לציפוי של פאנלים סולארים. כדי לעשות זאת ציפו את עלי הכותרת בפולימר על בסיס סיליקון. לאחר שהפולימר התמצק נוצרה תבנית, שלתוכה יצקו החוקרים דבק אופטי שהתקשה בחשיפה לקרינת UV. בסוף התהליך התקבל פילם דק, שהוא העתק מדויק של פני השטח של עלי הכותרת. 
 

הפילם הונח על גבי פאנל סולארי שעבר סדרת בדיקות לבחינת ביצועים. בתום הבדיקות נמצא שהפילם שיצרו החוקרים שיפר את יעילות הפקת החשמל של הפאנל ב-12% כאשר האור פגע בפאנל בזווית ישרה, ואילו כאשר האור פגע בפאנל מהצד (בזווית של 80 מעלות) שיפר הפילם את היעילות ב-44%!. המחקר הראה שהמבנה הגבשושי על פני השטח של עלי הכותרת עוזר לפקס את האור שמגיע ולכוון אותו לעומק המשטח, למקום בו הוא הופך לאנרגיה מסוג חדש. השאיפה לפיתוח טכנולוגיה יעילה, שתאפשר להפוך כמה שיותר מאנרגיית השמש לאנרגיה חשמלית, מעסיקה חוקרים רבים ברחבי העולם. רבים מהפתרונות הקיימים יקרים מכדי להפוך למסחריים. כיום, בפועל, פאנלים סולארים עובדים ביעילות של עשרות בודדות של אחוזים בלבד בממוצע (שיא העולם עומד על 34.5%). התוספת שמתקבלת באמצעות כיסוי הפאנלים בשכבה המחקה את המנגנון של עלי הכותרת הוא פתרון אלגנטי ופשוט יחסית להפקת יותר אנרגיה מהטכנולוגיה הנוכחית.  

למקור הידיעה

אבחון סרטן בהשראת חסילון המנטיס

מאת: דפנה חיים לנגפורד

חסילון המנטיס, "האגרופן" כפי שהוא מכונה לעיתים, הוא חסילון גדול יחסית, המגיע לאורך של כ-30 ס"מ וחי בקרקעית הים באזורים הטרופיים. חסילון זה, הידוע באגרסיביות הרבה שלו ובחוזקו, מוכר בעיקר הודות לאגרופיו החזקים כקליע, בעזרתם הוא תוקף את קורבנותיו.

בידיעה זו נעסוק דווקא בעיניו הצבעוניות של המנטיס, הנחשבות למתוחכמות ביותר בממלכת החי, המאפשרות למנטיס יכולת ראייה מורכבת. לעין המנטיס ראייה משולשת, כלומר כל עצם נצפה בשלושת חלקי העין במקביל. מבנה זה מאפשר עיבוד טורי ומקבילי של גירויים חזותיים.
 
                
                          חסילון המנטיס הטווסי, תמונה מאת Silke Baron CC By 2.0,
 
זאת ועוד: בעוד לאדם רק 5 פיגמנטי ראיה וללא יכולת זיהוי של אור מקוטב, חסילון המנטיס הטווסי מסוגל לראות גם אור נראה, גם אור UV וגם אור מקוטב. הוא ניחן ב-16 סוגי פוטורצפטורים (קולטני אור), מהם 12 משמשים לראיית צבע וארבעה משמשים לניתוח אור מקוטב. (אור מקוטב הוא גל אלקטרומגנטי בעל קיטוב מוגדר; זאת בניגוד לאור שאינו מקוטב, כמו אור השמש, המורכב מאוסף של גלים בעלי כיווני קיטוב שונים, כך שכיוון השדה השקול משתנה באופן אקראי.( ראיה מופלאה זו מאפשרת למנטיס לברוח מהברקודה המבריקה, למצוא את הטרף שלו בדיוק רב, וכמובן לקלוט מסרי חיזור - בעונה הגאות המתאימה - באמצעות זיהוי אור הירח.
באוניברסיטת Queensland שבאוסטרליה, מקווים לחקות את יכולות הראיה המופלאות של המנטיס למדידת פעילות מוחית ולאבחון גידולים סרטניים. ידוע שרקמות סרטניות מחזירות אור מקוטב בצורה שונה מרקמות בריאות, כך שמערכות הדמיה שונות משתמשות בעובדה זו לאבחן גידולים סרטניים. החוקרים מקווים לשפר את טכנולוגיות ההדמיה הקיימות על ידי חיקוי אלמנטים בעין המנטיס. ואכן, מצלמת הווידאו שפותחה בשיתוף עם מדענים מארה"ב ואנגליה ובהשראת עין המנטיס, מאפשרת אבחון ממאירות בזמן אמת, וכן קריאה של פעילות חשמלית של תאי עצב. למעשה, המצלמה ממירה אותות בלתי נראים לצבעים.
חיישנים מדויקים חשובים לפיתוח מכשור רפואי בתחום האונקולוגיה מכיוון שהם מצמצמים את הצורך בבדיקות פולשניות כמו ביופסיות, ויכולים לשפר את רמת הדיוק במהלך ניתוחים להסרת גידולים. בנוסף, חלק משיטות ההדמיה הידועות יכולות לאבחן רק סוגי סרטן מסוימים, כך שיש מקום לשיפור. לאחרונה, הוכיחו החוקרים את יכולתם לזהות גידולים סרטניים בעכברים באמצעות אבחון פלואורסנטי משולב באור מקוטב.
האם בעתיד תאפשר לנו מצלמת הסמרטפון שלנו לאבחן לעצמנו גידולים סרטניים? ימים יגידו.

 

גשוש ביומימטי גמיש

מאת: רינת ברקו-פילוסוף

חלק מההליכים הנפוצים כיום ברפואה המודרנית כרוכים בהחדרת מחטים וצנתרים, לביצוע פעולות שונות כמו  לקיחת ביופסיה, או לביצוע ניתוחים זעיר-פולשניים. הליכים פולשניים כאלה עלולים לגרום נזק. בהתערבות כירורגית המגמה כיום היא כמה שפחות פולשנית, על מנת למזער נזקים.
הטבע הוא לעתים קרובות השראה טובה כמענה לאתגרים הנדסיים,  וכך גם כאשר מדובר  במחט גמישה הנוחה להחדרה, דוגמת צינור ההטלה של צרעה. לצרעה יש איבר המסוגל לחדור לסוגים שונים של רקמות, כולל עץ (שבו הן מטילות את ביציהן). צינור ההטלה יכול לחדור לעומק של עד כ-20 מ"מ לתוך העץ, וקוטרו כ 0.2-0.3 מ"מ, דבר המאפשר לביצים לעבור בתוכו. המיוחד במנגנון הקידוח של צינור ההטלה הוא המבנה , המאפשר החדרה של הביצים לעץ ללא תנועה סיבובית של הצינור.

 

 
                            תמונה מאת  CC BY 2.0  James Niland
צינור ההטלה של הצרעה בנוי משני חלקים המשולבים זה בזה, כמו בשקית זיפ-לוק, ומחליקים האחד כנגד השני. בחלק האחד יש שיניים המכוונות לאחור, נאחזות במצע, ומתנגדות לכוחות המשיכה. כוח המשיכה המופעל על חלק זה מספק יציבות לכל אורכו של צינור ההטלה, ומונע כיפוף. כך החלק השני יכול להידחף עם כוח שווה והפוך, לאיזון הכוח הנגדי, כך שהכוח השקול הכללי שואף לאפס.  מאחר ואין כוח שקול באיסוף צינור ההטלה, אין בעיית יציבות, ואין גבול תיאורטי על אורכו.

הפיתוח הביומימטי
בימים אלה מפתחים באוניברסיטת אימפריאל קולג' שבלונדון מחט החדרה גמישה בהשראת צינור ההטלה של הצרעה, שמטרתה לאפשר גישה לאזורי מוח עמוקים עם סיכון נמוך עד אפסי לגרימת נזק, כדי לבצע ניתוח קליני ואבחון (ביופסיה, דגימות), בלי להשתמש במכשירים פולשניים.  
 


 

זה גרב? זה נעל? זה ביומימיקרי !

מאת: יעל הלפמן כהן

רוב היונקים נעים על ארבע רגליים, החלק היחיד בגופם הבא במגע עם הקרקע. כפות הרגליים כוללות כריות רגליים, כרית מרכזית, וכריות נוספות בכל אצבע. הכריות אלסטיות ומספקות ריכוך נאות, אך כאשר בעל החיים גדל ומסת הגוף שלו גדלה, יש צורך בפיזור האנרגיה לאורך כף הרגל בזמן צעידה.

במחקר שנערך במחלקה לביולוגיה של אוניברסיטת Duke, ע"י לואיס רות ((Louise Roth, נמצא שככל שבעל החיים גדול יותר, כך כריות הרגל שלו נוקשות יותר. הכריות אכן משתנות עם גדילת בעל החיים. הן הופכות נוקשות, חזקות ויציבות יותר עם הגידול במסת הגוף, אז מקבלות הכריות מראה "יבלתי" המקשה את כריות הרגליים מחד, אך מותיר אותן נוחות לצעידה מאידך.

רעיון זה, של הקשיית הכריות עם הגידול במסה, ניתן ליישם בתכנון נעליים, פרוטזות, צמיגים ועוד, באמצעות חומר דינאמי וחכם המשתנה באופן התואם את המשקל והעומס.

יישום אחד כבר קיים, נעל של חברת Vibram, המכונה נעל חמש האצבעות, וכוללת מבנים דמוי "יבלות". נעל זו היא נעל ריצה המותאמת כמו כפפה ל...רגל, מפרידה את האצבעות ושומרת על צורת הרגל הטבעית. זו נעל דקה וגמישה המסוגלת להתעקם ולהתיישר, בדיוק כמו הרגל.
הרעיון הוא לאפשר למשתמש ללכת ולרוץ כאילו היה יחף, לרוץ "עם" ולהרגיש "בלי", וזאת מבלי לחשוש לפגיעה ברגל. בתחתית הנעל יש פלסטיק נוקשה וגמיש המגן על הרגל. ע"י הפרדת האצבעות הרץ יכול לנחות נחיתה קדמית לכיוון מרכז הרגל, ולא נחיתה של "מעקב לאצבעות". נחיתה זאת מפזרת את כוח הפגיעה לעצמות האצבעות הגליליות, שבאופן טבעי יש להן מנגנון שיכוך, במקום לנתב את כוח הפגיעה ישירות לברכיים, כפי שמתרחש בד"כ בנעלי ריצה רגילות.

בניגוד לנעל רגילה המכסה את המבנה הטבעי של כף הרגל, ומציעה פתרון אחיד לכפות רגליים שונות (רחבות מול צרות, שטוחות מול קשתיות), נעל ביומימטית זו משתמשת במבנה הטבעי של כף הרגל ומעצימה את הרגישות הטבעית שלה. הרגל שלנו מכילה 52 עצמות, 66 מפרקים, 40 שרירים ואלפי קולטני חישה, המעבירים מידע חיוני למוח אודות המרחב ואודות פני השטח. נעל חמשת האצבעות מאפשרת גירוי אקטיבי של קולטנים אלו, תומכת בשיווי המשקל, מגבירה סירקולציה של הדם, ותומכת, באופן כללי, בבריאות הרגל.
נעל זו מחזירה אותנו לא רק לטבע אלא גם לסביבת מחיה טבעית – ילידים ושבטים החיים בטבע רצים, כמובן, יחפים.