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.
לקוראים שלום,

חשבו על המבנה הבא – מבנה המייצר חמצן ולוכד פחמן דו חמצני, מבנה הקושר חנקן ומטהר מים, מבנה המפיק אנרגיה מאור השמש, משתנה עם עונות השנה, מצל ומצנן את הסביבה, נאה למראה וניתן למחזור...

מבנה עתידני כזה כבר קיים בטבע– העץ.

החודש חל ראש השנה לאילנות. מעבר לנטיעות ואכילת הפירות, כדאי גם לזכור שעצים הם מבנים מעוררי השראה ומודלים לחיקוי לפיתוח מבנים יציבים ומקיימים יותר. אקוסיסטמה הכוללת מגוון עצים, צמחים ובעלי חיים היא מקור השראה לפיתוח ערי העתיד, ערים עמידות ומקיימות.
אנו מזמינים אתכם להתנסות בצורת חשיבה זו בסדנא "ביומימיקרי – לחקות את הטבע בבניה" שתועבר במסגרת הועידה הישראלית השלישית לבנייה ירוקה בישראל. לפרטים והרשמה לוועידה ולסדנא ניתן לפנות לדוא"ל.
עוד החודש בחרנו לספר על תגלית מעניינת בגופה של הצרעה האוריינטלית, על חידושים בתחום הרובוטיקה בהשראת מנגנוני הפצת זרעים ועל פיתוח מדד להדף בשדה הקרב בהשראת צבעוניות הפרפר.

קוראים המעוניינים לקבל מידע שוטף מוזמנים להצטרף לדף הפייסבוק של ארגון הביומימיקרי ולקרוא ידיעות נוספות על הפיתוחים האחרונים בהשראת הטבע ועל פעילות הארגון.

בברכת קריאה מהנה,

צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי



מדד להדף בשדה הקרב בהשראת צבעוניותו של הפרפר

פגיעות ראש כתוצאה מהדף הן אחת הבעיות של המלחמות המודרניות. ניטור מיידי של רמת ההדף אליה היו חשופים הנפגעים עשויה למנוע נזק מוחי מצטבר ולאפשר מתן טיפול מתאים בזמן אמת. במכון לחקר המוח שבאוניברסיטאת פנסילבניה קיבלו השראה מהצבע המבני של כנפי הפרפר לפיתוח אריג קרב למדידת רמת ההדף.

צבעוניותם של פרפרים שונים מקורה בצבע מבני – דהיינו צבע הנוצר כתוצאה ממספר שכבות ננומטריות השוברות את קרני האור בזויות שונות ליצירת המראה הססגוני. אפליקציות שונות המחקות תופעה זו ניתן למצוא היום בבדים ואפילו במסכי מחשב.
בבית הספר לרפואה שבאוניברסיטת פנסילבניה עמלים בימים אלו על אפליקציה רפואית המבוססת על הצבע המבני של כנפי הפרפר. דר' סמית' (Douglas H. Smith) ועמיתיו פיתחו אריג המשנה את צבעו בעקבות חשיפה לגלי הדף. מטרת החוקרים הייתה לפתח מדד פשוט לרמת ההדף אליה חשוף החייל בשדה הקרב. מדד קריא, פשוט להבנה, הניתן לפירוש בשדה הקרב בדומה לתגים הקיימים היום לניטור רמות קרינה רדיואקטיבית.


האריג שפותח ויוצר באמצעות חיתוכי לייזר, מורכב ממבנים ננומולקולרים נקבוביים המחזירים גלי אור באורכים שונים. המבנה שנוצר משנה את צבעו בתגובה לשינויים מכאניים, אך לא בתגובה לשינויי טמפרטורה. שינוי הצבע נוצר כתוצאה משינוי במבנה הנקבוביות הגורר שבירה של קרני האור בשכבות שונות. האריג תוכנן כך ששינוי הצבע הינו פרופורציונאלי לעוצמתו של גל ההדף.
החוקרים מקווים כי הפיתוח יוכל לשמש ככלי אבחוני לחיילים בשדה הקרב. קריאה בזמן אמת של עוצמת ההדף תשפר את האבחנה בין פגיעת ראש כתוצאה מהדף לבין מצב של הלם קרב, שני מצבים רפואיים שונים בעלי תסמינים דומים. על פי החוקרים, אבחנה מיידית של רמת ההדף תסייע במתן טיפול מהיר יותר לחייל הפצוע ועשויה למנוע נזק מוחי מצטבר.

לקריאה נוספת

מנפילה לתעופה בהשראת זרעים

השימוש היעיל באנרגיית הרוח ל"תעופת זרעים" עורר עניין רב בקרב בוטנאים שחקרו במהלך השנים את האנטומיה והפיזיולוגיה של תפוצת הזרעים. מנגנון מרתק זה לא חמק מקבוצת חוקרים באוניברסיטת מרילנד שבארה"ב אשר באמצעות מידול תעופת הזרעים פיתחו אבטיפוס של רובוט מעופף.

מנגנוני הפצת זרעים התפתחו במהלך האבולוציה במינים שונים. ניתן לזהות שלושה מנגנונים: סימביוזה עם בעל חיים, "גלישת גלים" – דהיינו סחף על ידי מקורות מים שונים ו"גלישת רוח" – דהיינו ניצול יעיל של זרמי הרוח להתרחקות מצמח המקור. מנגנון ההפצה צריך להיות כזה שירחיק את הזרע למרחק מספק מצמח המקור למניעת "מומים מולדים".
כחלק ממנגנון ההפצה באמצעות זרמי רוח, התפתחו במהלך האבולוציה, באופן מקבילי, בבתי גידול שונים ובצמחים ממינים שונים זרעי "הליקופטר". זרעים אלו כוללים פרי עם מספר זרעים או פרי עם זרע אחד (Samara) בעל כנף ממברנלית קשיחה. בתלות במהירות הרוח ובגובה מהאדמה, זרעי "הליקופטר" אלו יכולים להגיע למרחק רב מצמח המקור. לכנף בדרך כלל יש מגרעת המאפשרת לזרע למתן את הנפילה על ידי סיבוב הכנף במהלך הנפילה.


בהשראת מנגנון תעופה "ללא אנרגיה" של זרעי ההליקופטר פיתחו אולריך (Evan R Ulrich) ועמיתיו מאוניברסיטאת מרילנד שבארה"ב רובוט תעופה ממוזער. עיצוב הרובוט מבוסס על הגיאומטריה והמכאניקה של זרע ההליקופטר והתבסס על מחקר רב שנים של המבנה האנטומי של הזרע, תוך התייחסות למרכז הכובד, עובי הכנף וצורתה וכן למרקם שטח הפנים. בעבודה זו שפורסמה לאחרונה בכתב העת המדעי BIOINSPIRATION & BIOMIMETICS התייחסו החוקרים בעיקר לתעופה הסיבובית האוטומטית של הזרע במהלך תעופה ובתהליך הנפילה. מידול של תעופת הזרע לאחר התבוננות וניתוח אופני הסיבוב סייע בבניית אבטיפוס ראשון של רובוט המחקה את יכולת הסיבוב העצמית של הזרע במהלך ריחוף ונחיתה. מודל ממוזער זה מהווה מודל ראשוני לתעופה רובוטית יעילה אנרגטית.

לקריאה נוספת

העיר הביונית - עיר העתיד

מאת: יעל הלפמן כהן

העקרונות התכנוניים על פיהן בנויות אקוסיסטמות מקנות להן עמידות לתנאים גיאולוגיים ואקלימיים קיצוניים. עקרונות אלו נלמדים ומיושמים בתכנון עיר העתיד.

ערים בעבר נבנו מתוך הנחת יסוד שסביבתנו יציבה. בפועל, אנו חשופים לשינויים סביבתיים רבים הנובעים בין היתר מתנודות הלוחות הטקטוניים ומשינויים אקלימיים .שינויים אלו הובילו לא אחת לאסונות טבע שונים לרבות רעידות אדמה, שריפות ושיטפונות שהותירו הרס וחורבן בערים רבות. אסונות אלו יכולים גם להפוך להזדמנות. אם נתבונן בטבע נלמד כיצד הטבע מהנדס אורגניזמים ואקוסיסטמות בהתאמה לסביבה כאשר תרחישי אסון פוטנציאלים נלקחים בחשבון בתכנון האקוסיסטמה.
הטבע בונה תשתיות גמישות ומקושרות המתוכננות להגיב לשינויים משמעותיים בסביבה בתדירות גבוהה. מערכות אקולוגיות מצטיינות במגוון ושונות המאפשרים התאמת פתרונות למצבים משתנים. לדוגמא, אקוסיסטמות הממוקמות בדלתות ובאזורים רטובים מתוכננות להתמודד עם אירועים שנתיים של שיטפונות. יערות הממוקמים באזורים עתירי רוחות, מורכבים בעיקר מעצים נשירים אשר פחות נוטים להיפגע מהסופות העונתיות.


מנגד, האנושות התמחתה בפתרונות מבניים יציבים המאופיינים במסה של תשתיות סטטיות ולא מחוברות הפועלות באופן עצמאי וללא תיאום אחת עם השנייה ועם הסביבה. בנוסף, אותם מבנים נבנים בסביבות אקלימיות שונות, ללא התאמת המבנה לסביבה.
על פי רעיון העיר הביונית, העיר תתפקד כאקוסיסטמה מחוברת ואינטליגנטית בה כל פרט מעורב בקשר סימביוטי מתמשך עם אחרים, מרמת המולקולה ועד רמת המטרופולין. הקשר של העיר עם סביבתה הוא המפתח ליכולת לחזות ולהתכונן לשינויים סביבתיים.
עיר זו תגיב לשינויים עונתיים על ידי התאמת מאפייניה לרבות צבע, מרקם ותפקוד לעונות. בעוד ערי העבר וההווה מנסות להימנע משיטפונות, העיר הביונית תצפה לקלוט שיטפונות, לא רק על ידי תכנון מבנה עמיד לשיטפון אלא גם על ידי ניצול הזדמנויות הכרוכות בשיטפון. פתרון אפשרי לכך הוא שילוב של ביצות כבול המאופיינות ביכולת קליטת שיטפונות, הודות לצמחים כמו אזובים וטחבים המסוגלים לספוג מים עד פי 20 ממשקלם היבש. העיר הביונית תנצל את מי השיטפונות להפעלת תחנות כוח הידרואלקטריות ולאגירת מים באמצעות טכנולוגיות לאיסוף מים.
גבולות העיר הביונית רחבים וכוללים התייחסות גם לסביבותיה הרחוקות, על מנת לשמר את היכולת של העיר להגיב גם להשפעות סביבתיות הנובעות מאזורים מרוחקים.
בשנים הקרובות צפויים אנשים רבים לעבור להתגורר בערים ובמקומות שונים בעולם מתחילים לתכנן ערים חדשות. כפי שראינו, ידע הנלמד מאקוסיסטמות טבעיות יכול לסייע בתכנון ערים עמידות ומקיימות יותר.

מקור

ביומימיקרי בישראל: צרעה עם תאים סולאריים

מאת: יעל הלפמן כהן

צוות מחקר מאוניברסיטת תל אביב מצא שהרצועות החומות והצהובות בגופה של הצרעה האוריינטלית מתפקדות למעשה כתאים סולאריים. לאחרונה נערך מחקר לבדיקת ההיתכנות של חיקוי מבנה זה לפיתוח פתרונות חלופיים לאנרגיות מתחדשות.

ידוע כי בתהליך הפוטוסינתזה צמחים מפיקים אנרגיה ותרכובות אורגניות מאור השמש. לאחרונה, צוות מחקר מאוניברסיטת תל אביב הדגים תופעה דומה בעולם החי.
צוות מחקר מהפקולטה לפיסיקה ולרפואה חקר את הצרעה האוריינטלית וגילה שהרצועות הצהובות והחומות בגופה ממירות את אנרגית השמש לאנרגיה חשמלית. פרו'פ דויד ברגמן מצוות המחקר מציין כי נראה שהצרעה גילתה דברים שעדיין לא ידועים לאדם.
כבר בעבר הבחינו אנטמולוגים שצרעה אוריינטלית , בניגוד לצרעות אחרות או לדבורים, פעילות בשעות אחר הצהריים ולא בבוקר. כמו כן, האנטמולוגים הבחינו שהצרעה חופרת יותר באינטנסיביות כאשר עוצמת השמש גוברת.
במעבדת המחקר באוניברסיטת תל אביב בדקו כיצד תנאי מזג אוויר שונים כמו טמפ', לחות וקרינה סולארית משפיעים על רמת פעילות הצרעה ומצאו שקרינת השמש לבדה מכתיבה את רמת הפעילות.


במהלך המחקר, נמצא שהרצועות החומות והצהובות בבטן הצרעה מאפשרות אפקט פוטו-וולטאי.
הצוות גילה שהמעטפת החומה של הצרעה בנויה מחריצים המפצלים את האור למספר אלומות. הרצועה הצהובה בבטן עשויה מחורים זעירים שקועים המכילים פיגמנט הנקרא Xanthopterin. ביחד, החריצים המפצלים את האור, החרירים השקועים והפיגנט Xanthopterin, הופכים את האור לאנרגיה חשמלית. המעטפת לוכדת את האור והפיגמנט מבצע את ההמרה.
על מנת לבדוק אם ניתן להעתיק את מנגנון איסוף אנרגית השמש של הצרעה, הצוות חיקה את מבנה גוף הצרעה, אך התוצאות עדיין רחוקות מהיעילות שנמדדה במבנה הביולוגי. מחקר עתידי יעדן את המודל בניסיון לראות האם תהליך ביומימטי זה יכול לספק כמה רמזים וכיוונים לפתרונות חדשניים להפקת אנרגיה.
נראה שהצרעה שופעת מנגנונים מעניינים ובנוסף לתאים הסולאריים נתגלה בגופה גם מנגנון ויסות טמפ' המאפשר לצרעה לשאוב חום מגופה ולשמור על טמפ' גוף קרה בעודה תרה אחר מזון בשמש. לא די בכך, מסתבר שהצרעה גם משתמשת באותות קוליים חדים המסייעים לה לנוע בחשיכה.

לקריאה נוספת

אורגניזם החודש: דב הקוטב, הטורף שאינו נראה (באינפרא אדום)

מאת: מאיה גבעון

דובי הקוטב (Ursus maritimus) הם דוגמא לבעל חיים השורד בתנאים כמעט בלתי אפשריים, וזאת בזכות תכונות ההופכות אותם לאלופים בשימור אנרגיה. דובי הקוטב המעטים שנשארו בטבע (על פי הערכות מדענים בשנת 2008, נותרו כ-20,000 פרטים בלבד), חיים כיום בשטחים הנמצאים בחמש מדינות: ארצות הברית (אלסקה), קנדה, נורבגיה, גרינלנד ורוסיה. באזורים אלה, הטמפ' נמצאת כמעט תמיד אי שם מתחת לאפס, החורפים ארוכים וחשוכים, הקייצים קצרים וקרים ומקורות המזון מעטים ובלתי זמינים. היכולת לשמור על טמפ' גוף קבועה (שגבוהה לעיתים מטמפ' הסביבה בעשרות מעלות) היא קריטית ומחייבת יכולות מיוחדות לניהול אנרגיה יעיל בגוף האורגניזם.
יכולות אלה מעסיקות גם מהנדסים ומתכננים בבניית מערכות אנושיות שונות: מבנים, מנועי מכונות ואף טקסטיל. מחקרים שונים שנעשו על פרוות דובי הקוטב שופכים אור על התפקיד החשוב של הפרווה בוויסות טמפ' הגוף ובהישרדות הדובים, ולא מן הנמנע שיוכלו לשמש השראה בפיתוח פרויקטים אנושיים שונים. שיערות הפרווה הצפופה של דובי הקוטב עשויות סיבים חלולים חסרי פיגמנטים, המכסים על עור שצבעו שחור. הפרווה עצמה הינה שקופה, ומקבלת את צבעה הלבן מהחזר האור.

                                    צולם על ידי Angar Walk, תחת רישיון GNU

הסיבים החלולים כולאים בתוכם אוויר ויוצרים שכבת בידוד עבה מפני הטמפ' החיצונית- דבר המסייע לשמירת טמפ' גוף קבועה. אולם עד כאן אין למעשה הבדל בין פרוות דובי הקוטב לפרוות יונקים אחרים. היכולת המיוחדת של פרוות דובי הקוטב נובעת מן התכונות האופטיות המיוחדות שלה, ונגלית לעין רק בעת שימוש במכשירי מדידה מיוחדים. במחקר שנערך באוניברסיטת ברקלי הסתבר, שהסיבים השקופים לא רק מפזרים את קרני האור כך שיקלטו בעור השחור ויתרמו לחימומו, אלא שהמבנה המיוחד שלהן מונע פליטה של גלי אור בתחום האינפרא-אדום (כלומר, אנרגיית חום) לסביבה. למעשה, מכשירי מדידה הרגישים לתחום האינפרא-אדום, לא יבדילו בין השלג לדובי הקוטב מאחר והחזר קרני השמש מהפרווה כמעט זהה להחזר קרני השמש מן השלג.
וזה עוד לא הכל. מחקר אחר מאוניברסיטת בון שבגרמניה1, מצא שהמבנה המיוחד של הפרווה מגיב במהירות לקרינת שמש, ויוצר הפרשי טמפ' של עד כעשר מעלות צלסיוס בין אזורים בגוף הדב החשופים לקרינת השמש. החוקרים מציעים כי תכונה זו מאפשרת לדובי הקוטב להשתמש במנגנון זה כבאיבר חישה המסייע להם בהתמצאות ובמיפוי מידע אודות תנאי השטח שסביבם, כגון קרבה לקרחונים. יתכן שיכולת זו מסייעת להם לאתר חורים במשטחי הקרחונים הגדולים, דרכם הם צדים כלבי ים.
ועוד כמה עובדות שלא ידעתם אודות דובי הקוטב:
  •  בעבר הועלו השערות שסיבי הפרווה החלולים מתפקדים כסיבים אופטיים, אולם מחקרים שונים שוללים את התיאוריה הזו.
  • דובי קוטב בגני חיות שונים בעולם הופכים לעיתים ירוקים, כתוצאה מפריחת אצות המתיישבות בתוך סיבי הפרווה. הפתרון נמצא בהמלחת המים שמונעת את פריחת האצות.
  • המסת הקרחונים המואצת המתרחשת בעקבות משבר האקלים העולמי מעמידה את דובי הקוטב בסכנת הישרדות חמורה, כששטחי בתי הגידול שלהם הולכים ונעלמים במהירות. דמותו של דב הקוטב הפכה לסמל המאבק בהתחממות הגלובלית, ואולי יש בכך סמליות, כיוון שעל מנת לשרוד בטווח הארוך, גם עלינו ללמוד לנצל אנרגיה בחסכנות וביעילות.
מקורות:
1. H. Tributsch et al, 1990. Light collection and solar sensing through the polar bear pelt. Solar Energy Materials, 21 (1990) 219-236.

לקריאה נוספת