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.

מאי 2011

קוראים יקרים שלום,
תחום הביומימיקרי מאופיין במגוון נרחב של יישומים בתחומים שונים. מהנדסה, חומר ואופטיקה ועד אדריכלות כלכלה וניהול. גיליון זה מדגים את הרבגוניות של התחום וסוקר טכנולוגיה חדשנית לקליטת פחמן והפיכתו למינרל יציב, לצד מערכת ספיגת הדף יעילה בהשראת הנקר, זריקה שאינה כואבת בהשראת היתוש ותובנות חשובות מהטבע לכלכלה האנושית. מנגנון קפיצה ייחודי ומעניין של חיפושית הנתוזית מוצג כמקור השראה לפיתוחים ביומימטיים חדשים.

בתחילת יוני יערך הכנס הבינלאומי הראשון לאומנות, מדע וטכנולוגיה: קשרי הגומלין בין שלוש התרבויות. הכנס יתקיים במכללה להנדסה אורט בראודה, כרמיאל. דר' חיים-לנגפורד, יו"ר הארגון תרצה בכנס בנושא ביומימיקרי - גשר בין מדע וטכנולוגיה. לפרטים והרשמה לכנס לחצו על הקישור.

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


בברכת קריאה מהנה,

צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי

לקפוץ בלי רגליים – נתוזית (Click-Beetle)

מאת: יעל הלפמן כהן

ד"ר גל ריבק ופרופ' דניאל ויס מהפקולטה לאווירונאוטיקה בטכניון חקרו את מנגנון הקפיצה של הנתוזיות - חיפושיות הקופצות ללא רגליים תוך סיבוב גופן באוויר. ממצאי המחקר מרחיבים את ההבנה לגבי מידת השליטה של החיפושית במהלך הקפיצה ולגבי המגבלות הביומכאניות הקובעות את תוצאות הקפיצה.


קפיצה ללא רגליים נראית כמשימה בלתי אפשרית. חיפושיות ממשפחת הנתוזיתיים (Elateridae) מסוגלות לעשות זאת באמצעות מנגנון פשוט העשוי להרים אותן אף לגובה של כ- 30 ס"מ. בדרכן חזרה לקרקע הן מבצעות בוירטואוזיות סלטות ויכולות אף להספיק לבצע מספר סלטות לפני הנחיתה. הקפיצה היא מנגנון שהתפתח בחיפושיות הללו כדי לסייע להן לשוב לרגליהן אם הן מתהפכות על הגב. בנוסף הקפיצה גם יכולה לשמש כמנגנון הגנה מפני טורפים, אך בעוד החיפושיות שוכבות על גבן הן יקפצו גם ללא איום. באופן מוזר, החיפושיות מצליחות לחזור לרגליהן רק בחצי מהקפיצות....
  תמונה באדיבות ד"ר גל ריבק
מנגנון הקפיצה מזכיר את פעולת הרוגטקה. גוף החיפושית מחולק לשתי יחידות באמצעות מפרק. שתי היחידות מחוברות באמצעות שרירים אורכיים המתכווצים לצורך אחסון אנרגיה אלסטית. כל עוד המפרק נעול, האנרגיה האלסטית האגורה לא משתחררת. כאשר המפרק נפתח וגופה של החיפושית מכופף כלפי הבטן, האנרגיה האגורה בשרירים משתחררת בפתאומיות וגורמת לשיגור החיפושית לאוויר.
טכניקת קפיצה ייחודית זו ידועה מתחילת שנות ה- 70, אך מעט ידוע על מידת השליטה שיש לחיפושית על מהלך הקפיצה ועל המגבלות הביומכאניות הקובעות את תוצאות הקפיצה, בעיקר לנוכח העובדה המפתיעה שהסיכוי של החיפושית ליפול חזרה על רגליה יכול להיקבע למעשה על ידי הטלת מטבע.
ד"ר גל ריבק ופרופ' דניאל ויס מהפקולטה לאווירונאוטיקה בטכניון התמודדו עם שאלות אלו במחקרם שעתיד להתפרסם בקרוב בירחון האקדמי PLoS ONE . ריבק וויס ניתחו את מהלך הקפיצה של חיפושית הקליק באמצעות מודל מתמטי פיסי של פעולת הקפיצה המשלב מדדים מחיפושיות חיות. נמצא שזווית הקפיצה בזמן ההמראה היא קבועה ועומדת על קצת פחות מ-80 מעלות. כך למעשה, החיפושית יכולה לקבוע רק את מהירות הקפיצה אך לא את מסלולה. בנוסף, נמצא שפעולת הכיפוף המשגרת את גוף החיפושית לאוויר היא לא יציבה ורגישה לשינויים קטנים במנח החיפושית על הקרקע. שינויים קטנים אלו משפיעים על מומנט הפיתול המסובב את גוף החיפושית באוויר.
הממצאים מראים שמנגנון קפיצה ייחודי זה ללא הרגליים מאפשר את שילוח הגוף לאוויר, אך המנגנון מוגבל ולא יציב מספיק לחזות את כיוון הנחיתה (גב או רגליים). מנח הנחיתה תלוי בגיאומטריה המשתנה של נקודת המגע של החיפושית עם הרצפה. אמנם מכניזם זה נעדר שליטה מלאה על התנועה אך הוא מצטיין בפשטות ועדיין מספק 50% סיכויי הצלחה לקפיצה.
חיפושית הקליק ומנגנון הקפיצה שלה יכולים להוות מקור השראה וחיקוי לכר נרחב של פיתוחים ביומימטיים החל מחומרים אלסטיים וננו קפיצים ועד כלי רכב מזעריים ולא מאוישים הנעים על קרקע לא צפויה ומסוגלים לקפוץ מעל מכשול הניצב בדרכם.
לסיכום ציין ריבק כי "הטבע מלמד אותנו שעם חשיבה מקורית ותכנון נכון ניתן להגיע לפתרונות פשוטים בהרבה כמו במקרה של הנתוזיות".
מקור: ראיון עם ד"ר גל ריבק

מגז מזהם למלט ירוק

בטבע, הפסולת של האחד היא מקור המשאב של האחר במעגל החומר והאנרגיה המהווה את הבסיס לקיום בעלי החיים והצמחים בכדור הארץ. על בסיס עקרון זה, חברת Calera פועלת לצמצום פליטות גזי חממה  באמצעות שימוש בפסולות תחנות כוח ליצור מלט וחומרי בניה נוספים. הטכנולוגיה הייחודית לחברה מאפשרת לצמצם את פליטות המזהמים מתחנות הכוח, לצמצם את שינוע חומרי הגלם ממקום למקום וליצור חומר גלם איכותי.

קליטת הפחמן והפיכתו למינרל יציב הוא לב ליבה של הטכנולוגיה של Calera. תהליך זה הוא למעשה מינרליזציה על ידי נוזל שיקוע (Mineralization via Aqueous Precipitation - MAP). בשיטה זו הפחמן הדו-חמצני מתחנות הכוח נספג במים ומגיב עם קשיות המים ליצירת מינרל פחמתי וביקרבונט מוצק. התרכובות המינרליות הללו, לא רק שמצמצמות את רמת הפליטה של הפחמן הדו חמצני לאויר אלא אף בעלות ערך למספר יישומים בתחום הבניה.
סידן, מגנזיום קרבונט וביקרבונט הדומים לאלו המצויים בשלד של בעלי חיים וצמחים ימיים נוצרים על ידי קליטת פחמן דו חמצני מתחנות הכוח והפיכתו למינרלים יציבים. תוצרי התהליך מאפשרים יצירת מלט. הרכב המלט שונה ממקום למקום ותלוי בהרכב המים מצד אחד והרכב הגזים הנפלטים מתחנות הכוח מצד שני. כאשר בגז הנפלט מתחנת הכוח יש לדוגמא גם גופרית וכספית, המלט יכיל עקבות של חומרים אלו. בעוד תהליכים שונים לקליטת פחמן דו חמצני דורשים ניקוי הגז מהגופרות השונות, התהליך של Calera הוכח כתהליך איתן ובעל רגישות נמוכה להרכב הגז.
תוצר לוואי נוסף של תחנות הכוח הוא האפר. אפר זה משמש גם הוא כחלק מהתהליך של Calera ובכך מצמצם את פסולת תחנות הכוח וגם את הצורך באחסון האפר.
בשנת 2007, מדינת קליפורניה צרכה יותר מ 130 מליון טון אגרגטים ו 13 מיליון טון מלט. רוב החומר יובא ממדינות אחרות, כולל קנדה.
חברת Calera בנתה מתקן הדגמה המסוגל לקלוט 30,000 טון פחמן דו חמצני לשנה, המתקן נבנה לצד Dynegy's Moss Landing תחנת כוח מבוססת גז, כך שהפליטות המזהמות של מתקן אחד משמשות לייצור חומר בעל ערך במתקן שני.

מכה בטוחה – הדף ללא הרף

מאת: יעל הלפמן כהן

מנגנון ספיגת ההדף של הנקר נותח על-ידי קבוצת מחקר מאוניברסיטת צפון קרולינה באמצעות הדמיות של מבנה השלד הפנימי. הניתוח הוביל לפיתוח מערכת ספיגת הדף בעלת סיבולת גבוהה יותר לכוחות ג'י.

נקר נוקש על גזע העץ בקצב מפליא של כ- 20 פעמים בשנייה. כיצד גופו צולח את ההדף בהצלחה ללא סימן לפגיעה או לנזק מוחי? הנקר כבר נחקר בעבר במטרה להבין כיצד עובדת מערכת ספיגת ההדף שלו, ואף נזקף לזכותו פיתוח ביומימטי של גרזן שפותח על ידי חברת מחנאות איטלקית.
מחקר שפורסם לאחרונה בעיתון Bioinspiration & Biomimetics שופך אור על מנגנון ספיגת ההדף של הנקר. קבוצת מחקר מאוניברסיטת צפון קרוליינה מהמחלקה להנדסה מכאנית ניתחה את מבנה השלד הפנימי של נקר מוזהב החזה (golden-fronted woodpecker) באמצעות הדמיות טומוגרפיות. בוצעו הדמיות של מבנה ראש הנקר לרבות המקור, עצם הלשון, העצמות הספוגיות בקדמת הגולגולת ונוזלי המוח.



לרכיבים השונים בראש הנקר תפקידים שונים בספיגת ההדף. כך למשל מקור הנקר מתפקד כאיזמל אפקטיבי בחיתוך העץ והוא בעל יכולות השחזה עצמית. עצם ספוגית הממוקמת בקדמת המצח מונעת נזק מוחי ולעצם הגולגולת תפקיד משמעותי בפיזור ההדף. מבנה זה מאפשר לנקר לקדוח חורים בעץ תוך הפחתת כוחות הגזירה המופעלים על מוחו.
האם מבנה זה יאפשר לנקר לנקוש גם על משטחים אחרים? תשובה לכך תוכלו למצוא בסרטון הנקר המבולבל.

בהשראת מבנה זה תוכננה מערכת לספיגת הדף להתקנים קטנים בעלת פוטנציאל לשיפור הסיבולת לכוחות ג'י. המערכת כוללת:
• שכבה חיצונית בעלת חוזק גבוה המגנה על ההתקן מפגיעה פיסית בדומה למקור הנקר.
• שכבה צמיגית ואלסטית המפזרת את התנודות המכאניות בדומה לעצם הלשון.
• מבנה נקבובי עמיד המדכא מעבר של תנודות מכאניות בדומה לעצם הספוגית
• שכבה נוספת בעלת חוזק רב בדומה לעצם הגולגולת.
המערכת מיועדת להתקנים קטנים החשופים לשוק מכאני. כיום יש צורך בהתקנים בעלי סיבולת גבוהה יותר לכוחות ג'י לשימוש בסביבות בעלות כוחות ג'י גבוהים. בניסויים שנערכו באמצעות פטיש אויר אכן נמצא שיפור משמעותי של מערכת זו בסיבולת לכוחות ג'י.


למקור הידיעה

זריקה ללא כאב

זריקה לא כואבת כבר פותחה בעבר בהשראת חדק היתוש על-ידי צוות חוקרים מאוניברסיטת אוסאקה שביפן. לאחרונה פורסם על פיתוח חדש מבית היוצר של היתוש להפחתה נוספת בתחושת הכאב במהלך הזריקה.

פרופ' סייג'י אויאגי ועמיתיו מאוניברסיטת קאנסאי באוסקה פיתחו מחט המחקה את חדק נקבת היתוש. חדק זה חודר לתת העור מבלי ליצור תחושת כאב ועל כן נקבת היתוש מצליחה לעקוץ לפני שמבחינים בה. סוד החדק קשור למבנה של טבעות מחורצות המקיפות אותו ומקטינות את שטח המגע עם העור ולכן את תחושת הכאב עם תחילת העקיצה. הזריקה שפותחה מחקה למעשה את מבנה הטבעות המחורצות המצוי בחדק נקבת היתוש. אם נשווה מחט זו למחט רגילה ונטולת טבעות, הרי שבמחט הרגילה שטח המגע של המחט עם העור והרקמה התת עורית גדול יותר ועל כן מערכת העצבים מעוררת יותר ונגרמת תחושת כאב.

לאחרונה פורסם כי אותו צוות מחקר מאוניברסיטת אוסקה פיתח רכיב נוסף במחט שנועד להפחית אף יותר את תחושת הכאב. מדובר על מחט ממונעת.
מחט ממונעת נשמעת כיותר מכאיבה אבל למעשה היא כואבת הרבה פחות ממחט רגילה. המחט עשויה מסיליקון והיא מחקה שלוש מתוך שבע חלקי הפה הנעים של היתוש. את זוג הלסתות התחתונות המחורצות       (maxillae) ואת השפה הצינורית (tubular labrum). בצילומי וידאו מיקרוסקופיים התברר שחלקים אלו אחראים ליצירת רצף ויברציות בתדר של כ- 15 הרץ, המקלות על חדירת החדק לעור. בדומה לרצף הויברציות הנוצרות על-ידי חלקי הפה בנקבת היתוש, גם הפיתוח החדש במחט נועד לייצר רצף ויברציות ברצף ובתדר דומה.
הפיתוח כולל חיבור חלקי המחט המחקים את חלקי הפה למנוע זעיר העשוי מ- lead zirconium titanate (PZT) – קריסטל פייזואלקטרי המתרחב מעט בתגובה למתח משתנה (חומרים פייזואלקטריים משנים את מידותיהם כאשר הם נחשפים לשדה חשמלי). הויברציות של הקריסטל משמשות כמנוע פשוט השולט במידה בה המחט נכנסת לעור.
אויאגי בחן את הפיתוח החדשני על עצמו ועל שלושה מתנדבים נוספים, שהסכימו שהכאב אכן מופחת אך נמשך זמן ארוך יותר יחסית למחט רגילה. הוא מעריך כי על-ידי חיקוי חלקים נוספים בפה נקבת היתוש ניתן יהיה לבטל גם את הכאב העמום הזה.
אויאגי מקווה שהפיתוח החדשני יעזור לחולי סכרת הצריכים לדקור את עצמם לעיתים תכופות למדידת רמת הסוכר בדם. נראה כי פיתוח זה הוא צעד נוסף בדרך לזריקה ללא כאב.

למקור הידיעה

כלכלה חיה

מאת: מאיה גבעון

התבוננות בטבע מלמדת אותנו שיעורים שיכולים לשנות את חיינו בתחומים רבים. דיוויד קורטן, כלכלן, סופר ומראשי "קבוצת הכלכלה החדשה" (New Economy Working Group)  מבקש להפנות את תשומת ליבנו לשיעור חשוב מהטבע לעיצוב הכלכלה האנושית.

המילה ECONOMY (כלכלה), מגיעה מצירוף המילים "בית" ו"ניהול" ביוונית. כלומר, היכולת להחזיק, או לנהל את ענייני הבית- במובן הצר של המשפחה הקרובה ורכושה ובמובן הרחב יותר, של הסביבה, המדינה, או אף הפלנטה שבה אנו חיים.
המבנה המורכב והייחודי של הביוספרה הוא תוצר של 3.5 מליארד שנות אבולוציה. התוצאה היא רשת סבוכה ומתוחכמת של מערכות המתארגנות באופן עצמאי, קשורות או מאוכסנות זו בזו בקנה מידה הולך וגדל, כל אחת מותאמת לתנאים הייחודיים בה היא נמצאת, כך ששימור האנרגיה והמשאבים שלה הינו אופטימלי. באופן כזה, טריליוני תאים, אורגניזמים, ואוכלוסיות של אורגניזמים קשורים זה בזה ולוקחים חלק בריקוד מתמשך של יחסי גומלין. כל משתתף בריקוד שומר על הזהות והחיוניות שלו, תוך שהוא תורם לצרכים של שכניו וכן לאיזון ולעמידות של המערכת כולה.
גם אנחנו, המין האנושי, תוצר של תהליך האבולוציה. אך אולי בשל היותנו מין צעיר על פני הפלנטה, התרבות הדומיננטית בקרבנו שכחה שאיכות החיים ויכולת ההישרדות שלנו, כיחידים וכקבוצה, תלויה בשלומו של הכלל. כדי להבטיח את הישרדותנו ואת איכות החיים לדורות קדימה, עלינו ללמוד לחקות את הזרמים המעגליים של כלכלת הטבע ולכונן את המערכת שלנו בהתאם.
קורטן מסמן שלוש תכונות עיקריות בהתנהגות הכלכלית האקולוגית, שעלינו לסגל לעצמנו:

1. יכולת התארגנות עצמאית בשיתופי פעולה: במערכות אקולוגיות אין גורם שליטה מרכזי, המכוון את כל גורמי המערכת להסתדר באופן מסוים. בריאות המערכת תלויה ביכולת של חלקיה להסתדר מעצמם בשיתוף פעולה שמאפשר לכולם לחיות באיזון.
2. הסתמכות עצמית והסתגלות לתנאים מקומיים: מערכות אקולוגיות לומדות לספק את כל צרכיהן מהנמצא בסביבתן הקרובה, ללא תלות בייבוא חומרים מאזורים רחוקים. מערכות חיות לומדות כל הזמן למצות את המשאבים המקומיים – מבלי לכלותם, ובמקביל, להתאים את צרכיהם לקיים.
3. התארגנות בתת מערכות בעלות הפרדה מבוקרת מסביבתן: כל מערכות החיים מאורגנות בתוך ממברנות בררניות, המבקרות את מעבר האנרגיה והחומרים בין ה'פנים' (אברון, תא, איבר, אורגניזם) לסביבתו. הממברנה הינה חיונית- בלעדיה יחידת החיים לא תוכל להמשיך ולהתקיים.

אלה הם העקרונות שעליהם מתבססת כלכלת הטבע, שאינה מתבססת על כסף אלא על מערכות יחסים וחילופים של אנרגיה וחומר. ארגון מחדש של הכלכלה האנושית, להתבססות על תת מערכות מקומיות, עצמאיות, הקשורות זו בזו במערכות של אמון הדדי וזרימה מתמדת, הוא, לטענת קורטן, המבחן האמיתי והקריטי ביותר ליכולת הלמידה, היצירתיות וההתפתחות של המין האנושי.

למקור הידיעה