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 נובמבר 2011

קוראים יקרים שלום,

פרויקט "שביל הביומימיקרי הישראלי" יצא לדרך. בימים אלו נמצא "שביל הביומימיקרי הישראלי" בשלבי תכנון על ידי צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי בשיתוף מכללת אורנים. השביל יחנך בגן הבוטני של מכללת אורנים, יעבור בחורש הים התיכוני המגוון וישקיף לנופי הכרמל. בשביל יהיו מספר תחנות, לצד בעלי חיים וצמחים שנתנו השראה והיו מודל לחיקוי של פיתוחים ביומימטיים מתקדמים. השביל יאפשר היכרות ראשונית, חווייתית ומעמיקה עם תחום הביומימיקרי כמקור השראה וכמודל לחיקוי של פיתוחים חדשניים ומקיימים בתחומי החיים השונים.
פרויקט נוסף שיצא לדרך הוא כנס ביומימיקרי לנוער. הפרויקט הינו פרי שיתוף פעולה של ארגון הביומימיקרי הישראלי, תוכנית קרב ורמת הנדיב. כ- 600 בני נוער מרחבי הארץ צפויים לעבור תוכנית חינוך בתחום הביומימיקרי, במסגרתה יאותגרו לפתח רעיון תכנוני בהשראת אורגניזם נבחר. שיאה של התוכנית יתקיים בכנס ברמת הנדיב, שם יציגו הקבוצות את הפיתוח שלהן ואת התהליך שעברו.
אנו רואים בשני פרויקטים אלה צעד נוסף בקידום המודעות והחשיפה לתחום הביומימיקרי בישראל.

באווירה החורפית הפוקדת אותנו בימים האחרונים אנו מדווחים על שנת החורף של הדובים בהקשר של "שעת הזהב" הקריטית ברפואת החירום, על הקשר בין ביומימיקרי וחשיבה המצאתית בעקבות כנס ה- TRIZ שנערך בתחילת החודש בדבלין, על אברי חישה ייחודיים לדגים וליונקים ימיים כמודל לפיתוח מכשירי ניווט לכלי שייט, על ה- Nestrest שעוצב בעקבות חקר מבנים תלויים בעצים ועל חקר ביו-סנסורים ביולוגיים כמודל לפיתוח אמצעי הדמייה רפואית בטיחותיים ומדויקים.

קוראים המעוניינים לקבל מידע שוטף מוזמנים להצטרף לדף הפייסבוק של ארגון הביומימיקרי, ולקרוא בו ידיעות נוספות על פיתוחים אחרונים בהשראת הטבע, ועל פעילות הארגון.

בברכת חורף חם וגשום,

צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי.

דובים ושנת חורף

מאת: מיכל טופז, ספארי רמת גן

בתחום הרפואה הדחופה "שעת הזהב" היא פרק זמן קריטי, שקובע את גורלם של נפגעי טראומה, שבץ מוחי או התקפי לב מרגע הפגיעה ועד לקבלת טיפול מתקדם. פענוח יכולתם של יונקים גדולים לשקוע בשנת חורף יוכל להאריך את הזמן הקריטי הדרוש לרפואת החירום לטיפול בנפגעים.

דובים מבלים בין 6-7 חודשים בשנת חורף, היברנציה. בזמן זה הדובים אינם אוכלים, אינם שותים ואינם עושים את צרכיהם. המערכות שלהם נמצאות במצב "המתן". חום גופם יורד עד ל- 15 מעלות צלסיוס והם מאבדים עד מחצית ממשקל גופם מבלי לסבול מהצטברות רעלנים שונים בדם ובגוף עד שמגיע מועד היקיצה. אז עולה חום גופם של נמי החורף באמצעות רקמת שומן מיוחדת, שומן חום, רקמה שנועדה להתפרק וליצור חום בעת שטמפרטורת הסביבה עולה. עם העלייה של חום הגוף חוזרות המערכות בגופם לתפקד באופן נורמאלי, קצב לבם עולה ונשימתם מתגברת. בסופו של דבר מתעוררים בעלי החיים כשהם רעבים מאוד ומצבם הפיזי זהה לזה שלפני ההרדמות.
מחקר של המכון הארקטי לביולוגיה של אוניברסיטת אלסקה  IAB- Institute of Arctic Biology( ) שכלל 5 דובים אמריקאים שחורים, גילה כי קצב פעימות הלב של דוב שחור, השקוע בשנת חורף, יורד מ- 40-70 פעימות בדקה ל- 8-12 פעימות בדקה והקצב המטבולי יורד ב 75%. הדבר מאט את חילוף החומרים ומאפשר לדוב להישאר בריא לזמן ממושך של חוסר פעילות מוחלט.
לדבריו של אוביאן טויאן, חוקר במכון הארקטי: "המטבוליזם של הדובים השחורים יורד ב 75%, אך חום גופם יורד ב 5-6 מעלות צלזיוס בלבד, זאת בניגוד לממצאים קודמים שדיווחו על ירידה משמעותית יותר. משדרים אשר הוצמדו לגופם של הדובים הראו כי חום הגוף לא נשאר קבוע, אלא משתנה לאורך החורף במעגלים אשר נמשכו מספר ימים". ממצא כזה לא נמצא ביונקים אחרים עד כה. על פי מחקר זה, נראה כי בשנת החורף נושמים הדובים נשימה אחת עד שתיים בדקה, וקצב ליבם מאט בין שתי הנשימות – לעיתים חולפות עד 20 שניות בין פעימה לפעימה.
הבנת מנגנון ההיברנציה ביונקים גדולים והאפשרות לחקותו יכולים לסייע רבות בתחום הרפואה הדחופה, בזכות הארכת "שעת הזהב" הקריטית עד כדי "יום זהב" ואף יותר. הארכת שעת הזהב תאפשר לשמר את אותם נפגעים במצב יציב, להגן עליהם מסיכונים ראשוניים ולאפשר חלון זמן ארוך יותר עד הגשת העזרה הרפואית. בתחום הרפואי תהיה זו התפתחות חשובה גם למצפים להשתלות. לטענת בראיין בארנס, ממכון IBA- האפשרויות לסיוע ברפואה הן אין סופיות!

למידע נוסף

                                 בספארי פעילים הדובים כל השנה ואינם ישנים שנת חורף.
                                 מימין דוב חום סורי, משמאל דוב הימלאיה. צילום: טיבור יגר.  

על פיתוח זה ועל רבים נוספים תוכלו לשמוע מצוות מדריכי הספארי
ביומימיקרי בספארי:  מיכל - 03-6305308

ביומימיקרי וחשיבה המצאתית

מאת: יעל הלפמן כהן

בתחילת נובמבר נערך בדבלין הכינוס השנתי של ארגון ה-TRIZ האירופאי לחשיבה המצאתית. בכנס בלט מספרם של מחקרים המפתחים מתודולוגיות תכן ביומימטיות באמצעות בסיס הידע של  TRIZ.

TRIZ, התיאוריה לפתרון בעיות המצאתיות, פותחה על ידי היינריך אלטשולר, יהודי שחי בברית המועצות במאה הקודמת. התיאוריה מבוססת על מחקר של מאות אלפי פטנטים מתחומי הנדסה שונים, מחקר שהצביע על דפוסים חוזרים של פתרונות שעלו במהלך פיתוח הפטנטים. הדפוסים החוזרים נוסחו כעקרונות וכמודלים לפתרון בעיות, והם מאפשרים העברה של ידע בין דיסציפלינות.
תהליך התכן הביומימטי מבוסס על העברה אנלוגית של עקרונות תכנוניים מהדיסציפלינה הביולוגית לדיסיפלינה ההנדסית. בשל פער טרמינולוגי בין הביולוגיה להנדסה, התהליך אינו פשוט. תחום הTRIZ זוהה כבר בעבר כבסיס ידע מתאים לגישור בין דיסציפלינות בכלל, ולגישור בין הדיסציפלינה הביולוגית וההנדסית בפרט. אלטשולר עצמו זיהה את הפוטנציאל הגלום בחקר 3.8 מיליארד שנות המחקר והפיתוח של מעבדת התכן הטבעית להעשרת בסיס הידע של ה- TRIZ, שהתבסס בתחילה בעיקר על חקר של דיסציפלינות הנדסיות.
בכינוס השנתי של ארגון ה TRIZ האירופאי ETRIA , הציגה יעל הלפמן כהן, מנכ"ל ארגון הביומימיקרי הישראלי ודוקטורנטית בביה"ס ללימודי סביבה ע"ש פורטר באוניברסיטת תל אביב, מחקר חדשני העוסק בפיתוח מודל תכן ביומימטי. המחקר מבוסס על ניתוח מערכות ביולוגיות באמצעות חוק שלמות המערכת (בסיס הידע של החשיבה ההמצאתית מתייחס גם לחוקים העוסקים באבולוציה של מערכות). חוק שלמות מערכת המבצעת עבודה מגדיר כי לכל מערכת טכנולוגית נדרשים לפחות ארבעה רכיבים: מנוע, יחידת העברה, יחידת עבודה ויחידת בקרה. בהעדר אחד מהם, המערכת אינה מתפקדת באופן יעיל. הניתוח הוביל לזיהוי עקרונות תכנוניים מקיימים במערכות ביולוגיות, והוא מהווה שלב ראשון וחשוב במידול מערכת ביולוגית בצורה נגישה ונהירה למהנדסים, שלב הכרחי בתהליך התכן הביומימטי.
בכנס בלט לראשונה מספרם של המחקרים המנסים לחבר את גוף הידע של ה TRIZ לביומימיקרי. בין המחקרים הוצג מחקר ה bio-triz שנערך באוניברסיטת Bath באנגליה, מחקר שעסק בזיהוי פתרונות לקונפליקטים הנדסיים במערכות ביולוגיות. כן הוצג מחקר נוסף מקבוצת מחקר במילאנו, מחקר העוסק בחקר הטקסונומיה של מאגר Asknature האמריקאי והתאמתה לדרישות התכנוניות של מהנדסים.
חשיבה המצאתית מסייעת בחיבור בין דיסציפלינות ונחשבת בעלת פוטנציאל מבטיח לקידום העברת ידע בין תחומים. קידום תחום הביומימיקרי באמצעות בסיס הידע של החשיבה ההמצאתית מתפתח במהירות בקרב הקהילה המדעית. נמשיך לעדכן אתכם בעתיד בהתפתחויות אלו.

לחוש את הזרמים

מאת: מאיה גבעון

אברי חישה ייחודיים לדגים ויונקים ימיים כמודל לפיתוח מכשירי ניווט לכלי שייט
אחד האתגרים בהנדסה ובפיתוח כלים אוטונומיים תת ימיים autonomous underwater vehicles-  AUVs וכלי שייט בכלל, הוא התמודדות יעילה של הגוף ההנדסי עם לחצים וזרמים. פניה בתנועתו של כלי שייט גורמת לירידה חדה ומיידית במהירותו, ולעליה בצריכת הדלק. היות וכלי שייט צורכים כיום כ-8.6% מכלל צריכת הנפט העולמית, כל התייעלות בתחום זה יכולה להיות משמעותית. מערכות ניטור ובקרה של לחצים וזרמים בעת השייט הן נקודת מפתח בהתייעלות. מערכת כזו תהיה מסוגלת לזהות את הזוית שבה מגיע הזרם ביחס לכיוון תנועת כלי השיט, ולסייע בקביעת מסלול שבו תידרש הפעלת כוח מינימאלית, כדי שצריכת הדלק תהיה היעילה ביותר.
דגים עושים זאת באופן טבעי, בזכות מערכת ביולוגית, המסייעת להם. מערכת חישה הממוקמת סביב ראשם ולאורך גופם של מינים רבים של דגים, ומכונה מערכת קו הצד (lateral lines), מסוגלת לחוש בשינויים זעירים במהירות ובלחץ המים בסביבתו הקרובה של הדג, ומאפשרת לדג לשנות את מנח גופו בהתאם, להשאר במקומו או להתקדם תוך הפעלת אנרגיה מינימאלית. המערכת יעילה ומדויקת כל כך, עד שבמינים מסוימים (כמו למשל בדגי מערות, החיים בחושך מוחלט), היא מחליפה גם את מערכת הראיה ומהווה את הבסיס היחיד לניווט ולהתמצאות במרחב.
מערכת זו היא בסיס ההשראה לפיתוח טכנולוגי חדש במעבדות למיקרו-מערכות טכנולוגיות של מכון ה- MIT במסצ'וסטס. לדברי החוקרים, המודל התאים משום שהמערכת הביולוגית, המבוססת על תאים מאורכים מלאי נוזל שהאותות מועברים בהם ישירות למרכזי עצבים במוח הדג, פשוטה יחסית מבחינת ההשקעה הנדרשת בעיבוד האותות ובפענוחם – כלומר אינה דורשת מחשב חזק וגדול במיוחד (בהשוואה למערכות המבוססות על ראייה).
החיישנים שפותחו כוללים שקע ברוחב שני מילימטרים, המכוסה בממברנת סיליקון גמישה בעובי 20 מיקרון. על פני הממברנה נמצא מד לחץ ממתכת, שמגיב לשינוי בפני הממברנה כתוצאה מלחץ שמופעל עליה, ומייצר אותות. האותות מוגברים ומשוקללים מכלל החיישנים על ידי מערכת אלקטרונית, שמתרגמת אותם למידע על הלחץ המופעל על גוף כלי השיט בזמן אמת. ניסויים ראשונים במערכת מראים תוצאות מבטיחות.
במקביל, בוחן הצוות גם חיישנים בחוטם אריות ים, שלהם חיישנים רגישים המאפשרים להם לחוש שינויים במהירות הזרם לידם, ולאתר דגים שנמלטים מהם אפילו 30 שניות לאחר שעברו. מודל זה נמצא בשלבי בחינה ולימוד התחלתיים, והחוקרים מנסים להבין מה מקנה לאריות הים רגישות גבוהה כל כך.

NestRest

מאת: לירון דן
המעצבים Daniel Pouzet ו- Fred Frety חקרו צורות קינון בעצים. חקר המבנים התלויים הוביל לפיתוח של ה- Nestrest, ערסל דמוי טיפה המאפשר בידוד, מחסה, ואוורור טבעי ומסוגל לשאת אפילו משפחה שלמה. לירון דן שוחחה עם המעצבים ושמעה מקרוב על סיפור הפיתוח.

המעצבים Daniel Pouzet ו- Fred Frety התבוננו בקיני ציפורים בג'ונגל בקוסטה ריקה, מצאו צורות קינון משונות בעצים והחלו לחקור צורות חיים תלויות. בשיחה עם דניאל פוזט, סיפר דניאל על טיול משפחתי בג'ונגלים, ועל הפליאה שהביעו הילדים מהחיות הקטנות אשר גרות בתוך מבנה תלוי, מבלי לגעת בקרקע.
                                                              צילום: לירון דן
שנים אחדות אחר כך התעוררו אצל צמד החוקרים / היוצרים מחשבות על תחושת הקינון, והם החלו לחקור כיצד ניתן לתרגם את התחושה למוצר מוחשי. מבחינתם, עיצוב NestRest בצורת טיפה הוא בסיסי מאוד ופשוט, מאפשר בידוד ומחסה, אוורור טבעי, הצללה מפני קרני השמש יחד עם אווירת פרטיות חמימה ומוגנת. הסקיצות נוצרו מתוך אינטואיציה טובה, טבעית ונכונה, וכך גם הייצור.
                                                             תמונה באדיבות DEDON

בטבע, שונים קיני ציפורים זה מזה בצורתם, בגודלם, באופיים ובחומרי הגלם מהם הם עשויים בהתאם לסוג הציפור, לגודלה ולאזור קינונה.  חומרי גלם מסורתיים כגון זרדים, מחטים, קש, שיער, נוצות, קורי עכביש ולעיתים אף אדמה כחומר מאגד, מלווים בבדלי סיגריות (מכיל ספוג המשמש להם כחומר לבידוד תרמי), בחוטים סינתטיים ועוד.
 
                                                             תמונה באדיבות DEDON

במחקר שנעשה על חומרים Man-Made לשימוש בקיני ציפורים מסוג "Great Grey Shrike", התגלתה התנהגות חדשנית מצידם של הציפורים. באזור הקינון היה מבחר של חומרי גלם: המסורתיים הטבעיים, וסיבים סינתטיים- רצועות פוליאתילן וחוטי ניילון. באופן מפתיע, כ- 98% מהציפורים השתמשו בחוטי הפוליאתילן, מסיבות שונות- האחת, אורכם של הסיבים (בעבר השתמשו ציפורים בסיבים ארוכים, לרוב משערות סוסים). הסיבה השנייה טמונה בחוזקו המבני של הסיב הסינתטי לעיצובו של הקן ובעמידותו הגבוהה להגנה על הביצים מפני תנאי מזג אוויר קיצוניים.

קוטרו של NestRest שפיתחו Daniel Pouzet ו- Fred Frety הוא 200 ס"מ והוא מסוגל לשאת עד 625 ק"ג (משפחה שלמה!). המוצר עשוי קונסטרוקציית אלומיניום מכופפת ורצועות בד פוליאתילן (HDPE)- אשר ידוע כחומר יציב, בעל עמידות גבוהה בפני UV, חום וקור, מי בריכה וים. הבד גם נטול רעלנים, ניתן למחזור מלא, אינו דורש תחזוקה, קל לניקוי ומיועד לשימוש בפנים ובחוץ כאחד.
תהליך הייצור של הקן הוא ידני, החל מכיפופי קונסטרוקציית האלומיניום ועד לקליעת הבד.
עיצוב ה”NestRest” בהשראת קיני הציפורים, והשימוש שעושות ציפורים בחומרי גלם אותם יצר האדם מוכיחים את ההשפעה העצומה שיש לבעלי החיים על חיינו ולהיפך, ומוכיחים כי כפי שאנחנו יכולים ללמוד מהטבע ולהיעזר בחכמתו, כך גם הטבע משכיל ליהנות מפיתוחים מעשי ידי אדם.

                                                        

ביומימיקרי בישראל – אולטרסאונד בהשראת עטלפים, דולפינים וחפרפרות.

סונר ואולטרא-סאונד, המשמשים ככלים לניווט ולעיבוד תמונה הם בסיס לפיתוח טכנולוגיות רבות בתחומים צבאיים, רפואיים ועוד. אך עד כתיבת שורות אלו, לסונר הביולוגי של הדולפין, העטלף והחפרפרת יש יתרונות רבים על פני הסונר שפותח על ידי האדם.

במחקר משולב של פרופ' נתן אינטרטור מאוניברסיטת ת"א ועמיתו ג'ים סימונס מאוניברסיטת בראון שבארה"ב לומדים מהם המאפיינים המקנים לסונר הביולוגי של הדולפין, של העטלף ושל החפרפרת את היתרונות הרבים על הטכנולוגיות שפותחו על ידי האדם. באמצעות שימוש בשיטה ייחודית למדידת עיבוד האותות החוזרים מבעלי החיים, הגיע פרופ' אינטרטור למסקנה שהמפתח לדיוק עיבוד האותות של בעלי החיים הוא עיבוד נתונים בזמן אמת.
התמצאות במרחב באמצעות תהודה (echolocation) מתבצע על ידי בעלי החיים במילישניות, ברזולוציה גבוהה עד כדי כך שדולפינים יכולים "לראות" כדור טניס ממרחק של 80 מטר (!), וכמובן לבצע מספר חישובים ועיבודים בו זמנית. בעל חיים שולח צלילים רמים לסביבה (pings), צורת האות החוזר, או ההד, קובעת מה בעל החיים "רואה", ומסייעת לו לנווט, או לצוד. בעשרות מילישניות, מתבצעת במערכת העצבים המרכזית של בעל החיים אנליזה של הסביבה ומתקבלת תמונה תלת מימדית של הסביבה ביעילות אנרגטית גבוהה ביותר. אפילו בעזרת מחשבי על, אשר צורכים אנרגיה רבה מאוד, לא יכולות הטכנולוגיות האנושיות ליצור תמונה כה ברורה של הסביבה. באמצעות echolocation "רואה" עטלף אם זבוב נמצא במנוחה או בתעופה או איזה משני פירות כבד יותר על ידי "התבוננות" בתנועת הפירות ברוח.

בהשראת איכות הסנסורים הביולוגים, חקרו פרופ' אינטרטור ופרופ' וסימונס כיצד מאתרים בעלי חיים מיקום באמצעות קול במהירות ובדייקנות. הם שינוי את עוצמת הקול ואת התדר של ההד המוחזר לבעל החיים, ובחנו כיצד משפיעים השינויים על התמונה המתקבלת.
פרופ' אינטרטור ופרופ' וסימונס יצרו מודל מתמטי המשלב עיבוד אותות, מודל המאפשר ניתוח אותות מדויק יותר ויש לו גם את היכולת להקטין את רעש הרקע במהלך עיבוד האותות.
חיקוי טוב יותר של הביוסונרים שבטבע, יאפשר פיתוח מכשור הדמיה רפואית מדויק יותר ובטיחותי יותר, שלא כמו CT ו MRI, שימוש בטכנולוגיות המבוססות על קול צורכות פחות אנרגיה והן פחות הרסניות לרקמות הגוף.

לכתבה המלאה