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.

גליון אוקטובר של חדש(נ)ות מהטבע

קוראים יקרים שלום,

אנו שמחים להגיש לכם את גיליון אוקטובר של חדש(נ)ות מהטבע.



ב- 16.11 תועבר הרצאה בנושא ביומימיקרי ככלי לחדשנות סביבתית בכנס Watec 2011 במושב העוסק במקורות נוספים לחדשנות סביבתית. לפרטים והרשמה: אתר הכנס.
"אחרי החגים יתחדש הכל..." זו השנה השניה שבה ארגון הביומימיקרי הישראלי פועל במערכת החינוך הפורמלית ושאיננה פורמלית להפצת זרעי הביומימיקרי בארץ. אנו קוראים למתנדבים להצטרף לשורותנו להעברת פעילות ביומימיקרי בבתי הספר ביישוב שלהם. המתנדבים יעברו השתלמות על-ידי צוות ארגון הביומימיקרי הכוללת היכרות עם התחום וקבלת מערך הדרכה מובנה לרבות עזרי הדרכה. להצטרפות נא לשלוח מייל ל info@biomimicry.org.il . מקורות נוספים להעשרה בנושא ביומימיקרי: הפינה של "מוטי פטנט" בתוכנית זואולוגי של ערוץ לוגי,  באתר רמת הנדיב תמצאו מידע מעניין וחידון בנושא, בספארי ברמת גן מתקיים חוג העשרה לבני נוער בנושא ביומימיקרי ווכמובן חידון הטריויה באתר ארגון הביומימיקרי הישראלי.


בגליון חודש אוקטובר נספר לכם על ה SLIPS - תחרות אפשרית ל"אפקט הלוטוס" בתחום הניקיון, כיצד ניתן ליעל את השימוש באנרגיה בהשראת התנהגות בעלי חיים, על מחקרו של פרופ' שרון על מנגנון הסלסול בטבע, ליזר בהשראת נוצות ציפורים ונסיים בגישה אחרת לניצול אור השמש לאנרגיה.
קוראים המעוניינים לקבל מידע שוטף, מוזמנים להצטרף לדף הפייסבוק של ארגון הביומימיקרי, ולקרוא בו ידיעות נוספות על פיתוחים אחרונים בהשראת הטבע, ועל פעילות הארגון.

בברכה



צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי

צמחים טורפים, משטחים חלקים והקשר ביניהם


מדענים מאוניברסיטת הרווארד פיתחו חומר "סופר דוחה", המחקה את האסטרטגיות בהם משתמשים צמחים טורפי חרקים. החומר החדש לא מתערבב עם חומרים אחרים, גם לא עם דם ועם שמן. תכונתו זו של החומר נשמרת גם בתנאים קיצוניים של לחץ וטמפרטורה (נמוכה וגבוהה). המחקר נחשף לראשונה בגליון ספטמבר האחרון של כתב העת המדעי Nature.
החומר פותח בהשראת צמח טורף בשם Pitcher Plant, אשר כשמו כן הוא. התפרחת של הצמח דמוית כד ומלאת נוזל, והיא מושכת חרקים לתוכה. אבל כשהחרק נכנס פנימה, הוא מחליק על דופנות התפרחת החלקים לתוך המלכודת, וטובע בנוזל. עיכול החרק נעשה באמצעות אנזימי עיכול המופרשים מהצמח עצמו, או על ידי בקטריה סימביוטית.
התמונה באדיבות François MEY
להבדיל מציפויים המונעים מגע עם חומרים אחרים, שפותחו בהשראת המבנה הננו-גבשושי של עלה הלוטוס, ליצירת אפקט הדחייה משתמש חומר זה בתכונת ההחלקה. באפקט הלוטוס, המרווחים מלאים באוויר, המונע מגע בין המשטח לחומר. לעומת זאת, מקורו של הציפוי החלק בצמח הטורף הוא מלחות שבאוויר או מגשם. טיפות מים מצטברות כשכבה נוספת על המשטח הפנימי של הפרח, ויוצרות את אפקט ההחלקה. ההחלקה מונעת כל מגע בין פני שטח הפרח לבין חומרים אחרים, ובעיקר מונעת ההחלקה מגע עם רגלי החרקים המנסים לנוס. אפקט ההחלקה הנוצר דומה למצב של החלקת מכונית על כביש רטוב. המכונית מחליקה על המים, שמקטינים את שטח המגע בין הצמיגים לכביש.

בהשראת מנגנון ההחלקה של הצמח הטורף, פיתחו מדענים אסטרטגיה ליצירת משטח חלק, על ידי "מזיגה" של חומר סיכוך דרך חומר המנוקב בננו/מיקרו חורים. באופן זה נוצר משטח נוזל מעל למשטח המקור. הנוזל מאפשר לצמצם כמעט לחלוטין את החיכוך עם המשטח ויוצר את אפקט ההחלקה. שמו של החומר החדש הינו SLIPS (Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces).

המשטח הראשון שפותח מחקה את המנגנון של הצמח הטורף ואכן, ה- SLIPS חלק מאוד לחרקים, אך המדענים עובדים היום במטרה למצוא קשת רחבה של ממשקי נוזל-מוצק. המשטח ה"סופר דוחה" מאפשר יצירת משטח חלק מאוד ונטול פגמים. שלא כמו במשטחים שנוצרים בהשראת אפקט הלוטוס, בטכנולוגיה זו אפשר לייצר משטחים שקופים, ולכן המשטח אידיאלי לשימושים אופטיים הדורשים "ניקוי עצמי".
בנוסף, בזכות תכונת החיכוך המאוד נמוכה של המשטח, עמיד החומר  בטמפרטורות קיצון ואפילו בטמפרטורה שמתחת לאפס.

המדענים מצפים שהטכנולוגיה הזו, עליה הם רושמים פטנט בימים אלו, תשמש בעתיד לשינוע דלקים, לציפוי צינורות מים, למוצרים רפואיים וכמובן למשטחים בעלי יכולת ניקוי עצמי, כמו חלונות ורצפות.

אופטמיזציה של שימוש במשאבים בהשראת מודלים התנהגותיים

מאת: מאיה גבעון
בטבע יש שיווי משקל דינאמי.  בבתי הגידול השונים חיים בעלי חיים בכמות  פרופורציונית לכמות המזון הזמינה להם. האם בדומה למודל זה נוכל לווסת את מערכות בקרת הטמפרטורה במשרד ובבית, כך שמשאבי החימום/קירור יופנו תמיד למקום בו צריכים אותם, ובמקום לקרר משרד ריק תופנה האנרגיה באופן אוטומטי למשרד המאוכלס? מחקר בתחום האקולוגיה ההתנהגותית שופך אור על אפשרויות אלו.
אחד האתגרים החשובים בהנדסה הוא חלוקת משאבים דינאמית – אופטימיזציה של שימוש במשאבים. למשל, מערכות מורכבות, הכוללות רכיבים מחומרים שונים, צריכות לתפקד בטמפרטורה אחידה למרות צריכת אנרגיה משתנה ולמרות דינאמיקה מורכבת. מאמר שפורסם לאחרונה על ידי צוות חוקרים מדרום אמריקה ומצרפת בכתב העת Bioinspiration & Biomimetics, מנתח את האפשרות להשתמש במודלים אקולוגיים תיאורטיים לפתרון בעיות הנדסיות. מסתבר שרעיונות ביומימיטיים יכולים לסייע בחישוב כמות האנרגיה הנדרשת לכל חלק במערכות הנדסיות מורכבות, בחישוב כיצד תתחלק האנרגיה בין החלקים ליצירת טמפרטורה אחידה בין חלקי המערכת, וגם בתכנון כיצד לבצע בקרה אופטימאלית של המערכת.
התפלגות חופשית אידיאלית (Ideal free distribution – IFD), הוא כינוי לתופעה מתחום האקולוגיה ההתנהגותית, המתארת את האופן שבו בעלי חיים מתפזרים בין שטחים המספקים את מזונם. על פי התיאוריה, יתפזרו בעלי החיים באופן פרופורציונאלי לכמות המשאבים בשטח, כדי לנצל באופן מיטבי את האנרגיה שהם משקיעים בהשגת המזון. הפיזור יגרום להיווצרות שיווי משקל דינאמי, ולכל אחד מבעלי החיים תהיה גישה לכמות זהה של משאבים. כך למשל, אם שטחA  מכיל כמות מזון כפולה מאשר בשטח B, תמצא בו כמות כפולה של בעלי חיים. כל זאת, בהנחה שבעלי החיים נעים בחופשיות בין השטחים, ומסוגלים לחוש ללא הפרעה את מקורות המזון שבהם.
מודל בסיסי זה, משמש כמודל לאופטימיזציה של שימוש במשאבים, בצירוף הנחות נוספות המשפרות את יכולתו לתאר מציאות מורכבת יותר בתהליך תרמי רב-אזורי (multi zone thermal process).  במודל זה, מושווית המערכת לסביבה, וכל אזור נפרד במערכת מייצג בית גידול שונה, כאשר הטמפרטורה אנלוגית למשאבים הזמינים בבתי הגידול השונים. כמות האנרגיה הנדרשת לחימום התהליך כולו אמורה להתחלק באופן פרופורציונאלי בין האזורים השונים של המערכת ("בתי הגידול"), כך שתתפזר באופן אופטימאלי להשגת טמפרטורה אחידה בין כלל חלקיה. מתודולוגיה זו מנחה את בקרת המערכת להפעיל שיקולי כדאיות לניצול אופטימלי של מקור הכח המוגבל, כך שתישמר טמפרטורה אחידה ככל הניתן במערכת.

תעלומת הסלסול בטבע

מאת: יעל הלפמן כהן

מחקר בין-תחומי של חוקרים, מהמחלקה למתמטיקה ופיסיקה באוניברסיטה העברית, חושף את מנגנון הסלסול שבטבע. המחקר פורץ הדרך פורסם לאחרונה בכתב העת המדעי Science.
תנועת זרעים מבוססת לרוב על התכווצות של תאים ועל התנפחותם, תופעות הגורמות לצבירת אנרגיה אלסטית. דיווחנו בעבר על מנגנוני תנועה בזרעים, מנגנונים המונעים על ידי התנפחות של תאים ועל התכווצותם באופן אסימטרי, מנגנונים המאפשרים חדירת זרעי החיטה לאדמה ופתיחת קשקשי האצטרובל.

תנועה ייחודית נוספת היא תנועת הסלסול, המתרחשת בעת פתיחת תרמילי זרעים. מבנים סליליים נפוצים בטבע בתרמילי זרעים, בגבעולי עלים, בצמחים מטפסים, בשיער/פרווה ואף במולקולת ה- DNA. תלמידי הדוקטורט שחף ערמון ואפי אפרתי, בהנחיית פרופ' רז קופרמן מהמחלקה למתמטיקה ופרופ' ערן שרון מהמחלקה לפיזיקה באוניברסיטה העברית, חקרו את המנגנון האחראי להסתלסלות שני צידי תרמיל זרעים בעת פתיחתו.
נמצא, שירידה ברמות הלחות באוויר מפעילה שתי שכבות סיביות מהם עשויים התרמילים, וגורמת לצידיהם להתכווץ בכיוונים הפוכים. שתי שכבות הסיבים, הנמצאות במנח של 45 מעלות לציר האורך המרכזי של התרמיל, מתכווצות בכיוונים מאונכים. כאשר מתכווצות שתי השכבות באופן אנכי זו לזו, מופעל לחץ התעקמות לכיוונים מנוגדים, ונוצרת תנועת סלסול. לדברי פרופ' שרון, "מדובר בדרך גאונית בפשטותה לבניית התרמיל, כך שייפתח בזמן הנכון ויפזר את הזרעים". כך מובטחת הישרדותו של הצמח.

בסרטון המצורף אפשר לראות את תנועת פתיחת התרמיל - לינק לסרטון
בעקבות גילוי המנגנון נבנה מודל מכאני, המחקה את גיאומטריית תרמיל הזרעים, באמצעות שתי רצועות לטקס דקות ומתוחות שחוברו באופן אנכי זה לזה. נמצא, שהמבנה המחובר התכווץ באופן דומה למבנה תרמיל הזרעים כאשר שוחרר המתח מהרצועות. רצועות אורך שנחתכו ממבנה זה קיבלו קונפיגורציה של סליל. בנוסף, בנתה הדוקטורנטית ערמון מג'ל, שהוא חומר רגיש לשינויי טמפרטורה, חיקוי של התרמיל, ויצרה  רצועת "חומר חכם". בעת חימום משנה הרצועה את צורתה, ממצב שטוח לצורות מסולסלות שונות כגון ברגים, סלילים וצינורות.

מימין: תרמיל בוהיניה פתוח. משמאל: "דגם" עשוי לטקס.

התמונות באדיבות ערן שרון. 
בעקבות מסקנות המודל המכאני פותח מודל תיאורטי, המתבסס על ניסוח חדשני ומופשט של התורה האלסטית. הפשטה זו אפשרה לגלות את הקשר בין תרמילי זרעים למולקולות כימיות. התברר שאותו מנגנון גיאומטרי-מכאני הגורם לפתיחת תרמילי זרעים, אחראי גם להסתלסלות של מולקולות-על, אשר נבנות באופן ספונטני במערכות כימיות וביולוגיות שונות. המדידות שנעשו במחקר זה מספקות לראשונה הסבר לשינויי הצורה שנצפו בעבר במולקולות מסוג זה.

המנגנון הגיאומטרי-מכני שהתגלה במחקר זה הוא חידוש גם בתחום ההנדסה המכנית והנדסת החומרים. הבנת עקרונות הפעולה של מנגנון הסלסול עשויים להוביל ליישומים הנדסיים ביומימיטיים, ולבניית חומרים ביומימיטיים חכמים, שיסתלסלו בתגובה למשתנים חיצוניים.
למקור הידיעה


פיתוח לייזר בהשראת כנפי הציפור

חוקרים בתחום האופטיקה מאוניברסיטאת ייל, חוקרים את מקור הצבע של נוצות הציפורים - צבע בעל גוון קבוע שמקורו בננו מבנה יחודי ולא בפיגמנטים. למבנה זה אפליקציות בתחומים שונים וגם בפיתוח לייזרים יעילים יותר מבחינה אנרגטית.

מדענים מאוניברסיטת ייל חוקרים כיצד מקנים שני סוגי ננו-מבנים לכנפי הציפורים את צבעוניותם המרהיבה. מקורם של רבים מהצבעים בטבע בננו-מבנים, השוברים את קרני האור בתדרים ספציפיים. במקרים מסוימים, יוצרים מבנים אלו מופע של כעין נצנוץ, כאשר הצבע משתנה לפי זוית הראיה – כמו בפרפר המורפו. במקרים אחרים, הגוון קבוע ולא משתנה. במחקר זה מתוארת עבודה על פיתוח לייזר, המבוסס על הגוון הקבוע בטבע.  

יותר ממאה שנים לומדים את אופן יצירת הצבע המבני הקבוע בטבע. בתחילה חשבו כי להיווצרות גוון קבוע אחראית תערובת חלבונים במבנה רנדומלי. לאחרונה, חשפה הסתכלות מיקרוסקופית  בהגדלה, כי קיימת תבנית קבועה ולא רנדומלית – אך במקטעים קטנים. המדענים מצאו כי תבנית בעלת דפוס קבוע, בשטח מצומצם מאוד, יוצרת שבירה ספציפית של גלי האור בתדרים קבועים, האחראים על גוון שונה בנוצות הציפור.

בהשראת נוצות הציפור, יצרו פיזיקאים מאוניברסיטת ייל שני לייזרים, המבוססים על תבנית בעלת דפוס קבוע, בשטח קטן. מודל אחד מבוסס על נוצות עם חללי אויר (ננו-חללים) ספיראליים, ארוזים בחלבון בטא קרטין. הליזר במודל זה, בנוי מממברנה מוליכה למחצה, מלאה בחללי אויר הכולאים את קרני האור בתדר מסוים. נקודות בסדר גודל קוונטי בין החללים מגבירות את האור, ויוצרות אלומה קוהרנטית, שהיא למעשה הלייזר. בהמשך, בנו המדענים רשת של לייזרים המחוברים בננו-תעלות, גם הם בהתבסס על נוצות הציפור. רשת זו יוצרת החזרה ספציפית על ידי חסימת המעבר של אורכי גל מסויימים. בשני המקרים, יכולים המדענים לווסת את צבעי הליזר על ידי שינוי אורכן של הננו-תעלות או על ידי שינוי המרווח בין חללי האוויר.
ההבדל בין לייזר זה לבין הלייזר המוכר כיום, הוא שהלייזר בהשראת נוצות הוא בעל פוטנציאל להיות מורכב עצמאית, בדומה ליצירת בועות גז בנוזל. כלומר, הייצור שלו זול יותר ומהיר יותר.

אחד היישומים לעבודה זו הינו יצירת צבעים מבניים לאפליקציות שונות. צבעים אלו בעלי פוטנציאל להיות עמידים יותר וידידותיים יותר לסביבה, מאשר צבעים כימיקליים.

מקור הידיעה

הטבע כמקור השראה לפיתוח מערכות בתחום האנרגיה הסולרית

מאת: זיו כהני
השמש היא אמנם המקור הזמין והמוכר ביותר לאנרגיה, אבל למען האמת, אנחנו עדיין בתחילת הדרך לניצול הפוטנציאל הגלום בה בכל הנוגע לקליטת האנרגיה, להעברתה ולאגירתה. מציאת "פתרונות נקיים" להשגת מאגרי אנרגיה חיוניים לעתיד כדור-הארץ.
לצורך ניצול יעיל יותר של אנרגית השמש מנהל פרופ' סקולס, מומחה כימיה מאוניברסיטת טורונטו, מחקר מקיף שנבע מהתובנה ש"דלק סולרי" נוצר בעיקר מאנרגיה, הטמונה באור שנספג בקבוצת מולקולות.
פרופ' סקולס ראה את ההקבלה בין תחום האנרגיה לבין מערכות ביולוגיות בכך, שהאנרגיה אגורה למעשה בתוך אלקטרונים, אשר נמצאים בתנודה ומועברים בהמשך לריאקטור מתאים. בתופעת הפוטוסינתזה, למשל, מבנה כימי של כלורופילים הוא שקולט את האור והוא שמעביר אותו לחלבון, שמסייע בתהליך הנשימה וביצור הסוכר. מתוך כך, החליט פרופ' סקולס למצוא חלבון מתאים לאנרגיה סולרית.
בתמונה שלמטה אפשר לראות בצורה מופשטת את הקשר המולקולארי במבנה כימי, מבנה שמייצר את העברת האנרגיה מהשמש כפי שמקיימת תופעת הפוטוסינתזה. מבנה זה קיבל את השם LHCII Light Harvesting Complex
התמונה באדיבות פרופ' סקולס
מלימוד מעמיק של מבנה ה-LHCII החלו פרופ' סקולס ועמיתיו ליצור מסגרת הגדרות ודרישות, שנועדו לאפיין תכנון מערכת שתוביל את שטף האנרגיה למרחק רב, תוך ייצור "רשת אנרגיה" מיקרוסקופית שתווסת את המרת האנרגיה הסולרית.
האנרגיה מהשמש נקלטת במשך מיליונית השנייה בפיגמנטים, ועובדה זו מותירה זמן קצר מאוד להעברת האנרגיה למולקולה שתכיל את מנגנון ההמרה לאנרגיה או לחשמל.
ההשראה מהפוטוסינתזה נובעת מכך שמיליוני פוטונים של אור פוגעים בעלה (של צמח) בכל שנייה. כל פוטון אדום נקלט בכלורופיל, ומנוצל לטובת גדילה והתפתחות של הצמח. החזון לתכנון ולהדגמה של "מעגל חשמלי מולקולארי" קיבל השראה מהתהליך הטבעי, והוא דק פי 10 מכל כבל חשמלי מוכר. מעגל כזה יכול לווסת, לכוון ולשלוט באנרגיית שמש הנקלטת בפיגמנטים מלאכותיים, שתוכננו למנוע איבוד של מאגרי האנרגיה שנקלטים בהם. כך, למעשה, נוצר מנגנון ממוזער ואופטימאלי לביצוע פעילות הקשורה בשימוש באנרגיה הסולרית.