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 דצמבר 2011

קוראים יקרים שלום,

שנת 2011 מגיעה לסיומה ואיתה עבודה רבה ומאומצת שעושים אנשי ארגון הביומימיקרי בזריעת זרעים לתחום זה בארץ.
במהלך שנת 2011 הבאנו את סיפוריהם של 84 פיתוחים ומחקרים ביומימטים בגיליון חדשנות מהטבע. אנשי הארגון העבירו הרצאות בכנסים בינלאומיים. כחלק מתוכנית "ביומימיקרי בקהילה" נחשפו כ - 600 תלמידים לתחום, בתוכנית טלוויזיה בערוץ לוגי עלתה פינת ביומי מיקרי, וכן פותחו תוכניות חינוך משותפות עם ארגון הספארי, עם רמת הנדיב ועם קרן קרב.
בחודש האחרון התקיים מפגש מתנדבים של הארגון באדיבות חברת לייפבונד והוצג החזון לשנה הבאה – בהזדמנות זו אנו רוצים להודות למתנדבים הנאמנים, המאפשרים לחזון ארגון הביומימיקרי הישראלי להתקיים – ולהמשיך לצמוח.

קוראים המעוניינים לקבל מידע שוטף מוזמנים להצטרף לדף הפייסבוק של ארגון הביומימיקרי, ולקרוא בו ידיעות נוספות על פיתוחים אחרונים בהשראת הטבע, ועל פעילות הארגון.
אנו מקווים שהזרעים שנזרעו השנה ינבטו במהלך 2012.
באיחולי שנה אזרחית משגשגת -
ארגון הביומימיקרי הישראלי

חיקוי למוח – על סיליקון


מאת: דפנה חיים לנגפורד

שנים רבות חלמו חוקרים לבנות מחשב שיחקה את יכולתו של מוח האדם ללמוד משימות חדשות. במחקר אחרון שנערך ב- MIT, נבנה צ'יפ אלקטרוני על סיליקון, והוא מהווה צעד משמעותי בדרך הארוכה לחיקוי מוח האדם.
חוקרים ב- MIT עשו צעד משמעותי בתכנון צ'יפ אלקטרוני המחקה את הדרך בה מגיבים תאי עצב למידע חדש. תגובה זו נקראת Plasticity, והיא אחראית, ככל הנראה, על פונקציות רבות במוח, כולל תהליכי למידה וזיכרון.
במוח האנושי כ- 100 מיליארד סינפסות. סינפסה היא המרווח המקשר בין שני תאי עצב. תקשורת בין שני תאי עצב מתרחשת כאשר תא עצב אחד משחרר חומר הנקלט על ידי קולטן מיוחד בתא העצב השני. חומר זה מעורר שרשרת תהליכים שתלויים בתעלות יוניות המצויות על פני ממברנת  תא העצב. תעלות יוניות אלו, מבקרות את שטף היונים הטעונים העוברים משני צידי הממברנה ליצירת הפרש מתחים ובדחף סף מסוים, התא משדר פולס חשמלי הקרוי פוטנציאל פעולה.
סינפסה: מרווח בין שני תאי עצב האחראי על העברת מידע בין תא עצב אחד לשני

החוקרים ב- MIT תכננו את הצ'יפ כך, שהטרנזיסטורים יחקו את פעולתן של התעלות היוניות השונות. בעוד רוב הצ'יפים פועלים באופן בינארי (0/1), בצ'יפ החדש עובר זרם חשמלי דרך טרנזיסטורים בצורה אנלוגית ולא בצורה דיגיטאלית. גרדיאנט של מתח חשמלי גורר את מעבר הזרם דרך הטרנזיסטורים, בדומה לאופן שבו יונים עוברים דרך התעלות היוניות בתא.
עם יותר מ - 400 טרנזיסטורים, מאפשר הצ'יפ הסיליקוני לבצע סימולציה לפעילותה של סינפסה מוחית אחת. החוקרים צופים שצ'יפ זה יסייע להם ללמוד יותר על תפקודו של המוח, וישמש בעתיד תותב מלאכותי לרקמות עצביות פגועות.
החוקרים מתכננים להשתמש בצ'יפים אלה כמודלים לפונקציות עצביות מסוימות - כמו תהליך עיבוד הראיה. מערכות אלה יכולות להיות מהירות הרבה יותר מאלה המבוססות על מחשבים דיגיטלים. כיום, סימולציות של מעגלים עצביים יכול להמשך שעות ואף ימים גם במחשבים מהירים ביותר. באמצעות הצ'יפ האנלוגי, יכולות הסימולציות להיות מהירות כמו המערכת הביולוגית ואף יותר.
הצ'יפ החדש הוא התקדמות משמעותית בהטמעת ידע מתחום מדעי העצב לתחום המוליכים למחצה. האתגר הבא, כמובן, הוא בניית ממשק בין הצ'יפ האנלוגי למערכת הביולוגית. ממשק כזה יאפשר תכנון תותבים עצביים למערכות מוחיות שונות, כמו מערכת הראייה, וכמובן ליצירת אינטליגנציה מלאכותית.

רובוטיקה מתחת למים


מאת: זיו כהני
צוות מהמחלקה להנדסת מכונות בוירג'יניה טק, הצליח לפתח רובוט שמחקה את התנועות המופלאות של המדוזה.
לאחר שהתוודענו במאמרים קודמים לתחום הרובוטים הזעירים, דמויי החרקים, ואפילו גילינו שיש תחום שלם סביב זה, שנקרא MAV (micro aerial vehicles), נכיר היום תחום חדש:
ה-Unmanned Underwater Vehicle) UUV).
במטרה לפתח יכולת מעקב ואבטחה תת מימיים העלה חיל הים האמריקאי את הצורך במחקר בתחום התת-ימי. המחקר בתחום זה יסייע גם בזיהוי זיהומים תת-ימיים ובלימוד הרגלי הנדידה של להקות דגים.
צוות מהמחלקה להנדסת מכונות בוירג'יניה טק, התמקד במחקרו בתורת הצורות, וחקר את מכניזם ההנעה של המדוזה, שנובע מגמישותה ומ"חוסר הגבולות" שלה. הצוות הצליח לפתח רובוט שמחקה את התנועות המופלאות של המדוזה.
יכולתה של המדוזה להניע בכל שלב מכלול אחר בגוף: בתחילה את מכלול הגוף המרכזי, "הפעמון", ואחר כך את הזרועות עצמן - הוא ייחודי בהדרגתיות המתוזמנת שהוא מציג.
תנועת נפנוף הזרועות של המדוזה נחקרה לעומק בעזרת מכשור מתקדם למדידת מהירויות (ברזולוציה שיכולה למדוד תנועת חלקיקים), בהתאם להשערות שהועלו על-ידי החוקרים. התגלה כי הנפנוף המתוזמן יוצר מערבולת שלמעשה נותנת כוח למהלך התנועה.
לאחר שהבינו את המכניזם של התנועה, הגיעו החוקרים למסקנה כי דרך חקירת המכניזם, יוכלו למצוא דרך להשיג כוח דחיפה יעיל יותר וחזק יותר, שאפשר יהיה  ליישם אותו בפיתוחים חדשים.
האבטיפוס שפיתח הצוות בוירג'יניה על בסיס moon jellyfish [Aurelia aurita] - ה"רובוג'לי", יוצר מחומרים מתקדמים - סיליקוניים גמישים – מבוסס על שבבי תזמון תנועה מתקדמים, מהם אפשר יהיה ללמוד ולנתח בצורה את כל מהלך התנועה.

הבעיה העיקרית איתה התמודדו החוקרים בבניית האבטיפוס היא שהחומרים המלאכותיים בהם עשו שימוש, נוטים להתקפל במהלך חיקוי תנועות המדוזה, והדבר גורם לירידה משמעותית בביצועים. המדוזה לעומתם, דווקא מתמודדת עם זה היטב...
לאחר מחקר מעמיק גם של מבנה וגם של צורת החומר (בנוסף למכניקה שלו), גילו החוקרים שעל פני החומר יש גם חריצים, שנועדו למנוע את אותה התקפלות. לאחר שהוסיפו את אלו על פני שטח החומרים המלאכותיים נפתרה הבעיה, והמחקר (והרובוג'לי) קיבל תאוצה. 

חוזק וקשיחות בהשראת הקוטיקולה

  מאת: יעל הלפמן כהן

חוקרים במכון וויס להנדסה בהשראת הטבע שבאוניברסיטת הרווארד, פיתחו חומר חדש, המשחזר את החוזק ואת הגמישות של הקוטיקולה של חרקים. החומר החדש, המצטיין בעלות נמוכה, בכושר התכלות ובביוקומפטביליות, יוכל יום אחד להחליף את הפלסטיק במוצרי צריכה, ולשמש חלופה בטוחה במגוון אפליקציות רפואיות.
השלד החיצוני של חרקים שונים, בהם זבובי בית וחגבים, מצופה קוטיקולה המותאמת לספק להם הגנה מבלי להוסיף להם משקל או נפח. הקוטיקולה מספקת הגנה מפני טורפים, משמשת מבנה תומך לשרירים ולכנפיים ומונעת אובדן מים באידוי. הקוטיקולה הודפת מאמצים כימיים או פיסיים בלי לפגוע בחלקים הפנימיים של החרק. בזכות משקלה הקטן היא אינה מכבידה על  החרק במעופו, ובזכות היותה דקה – היא גם גמישה. תכונותיה משתנות: מנוקשות באזורים הסמוכים לגוף החרק והכנפיים, ועד גמישות באזורים בהם איברי החרק מחוברים.  
הקוטיקולה של החרק מורכבת משכבות של כיטין {שהוא פולימר רב סוכר(פוליסכריד)} ומחלבון, במבנה לבידי. אינטראקציות מכאניות וכימיות בין חומרים אלה מאפשרות את התכונות הכימיות והמכאניות הייחודיות לקוטיקולה. הצוות ממכון וויס שחקר את האינטראקציות האלה, הצליח לשחזר את הכימיה ואת המבנה השכבתי במעבדה, וליצור שכבה דקה בעלת מבנה והרכב זהים לקוטיקולה של החרק. החומר המפותח מכונה Shrilk משום שהוא מורכב מחלבון משי ומכיטין, שמופק בדרך כלל מקליפות שרימפס.
החומר שפותח דומה בחוזקו ובנוקשותו לסגסוגת אלומיניום, אך שוקל חצי ממנה. הוא מתכלה ועלות ייצורו נמוכה מאוד, (כיטין הוא תוצר לוואי של תעשיית השרימפסים). על ידי שליטה במרכיב המים בתהליך הייצור הצליחו החוקרים להשיג את מגוון התכונות של החומר, החל מאלסטיות ועד נוקשות מלאה.
היישומים האפשריים לחומר זה רבים והוא יכול להיות תחליף זול וידידותי לסביבה לפלסטיק כמו שקיות זבל, אריזות וחיתולים. אפשר להשתמש בו גם ליצירת מבנים מסובכים כמו צינורות.   חוזקו היוצא דופן של החומר, והעובדה שהוא ביוקומפטבילי הופכים אותו לחלופה בטוחה גם במגוון אפליקציות רפואיות, החל מתפירת פצעים הנושאים עומסים כבדים (כמו טיפול בבקע) ועד אמצעי תומך להתחדשות רקמות.
החומר מייצג את החזון של מרכז וויס  - מתן מענה לבעיה סביבתית מהותית, ביחד עם קפיצת מדרגה לקראת התקדמות רפואית משמעותית.

לדחות מים כמו.. כנפי פרפר


מאת: מאיה גבעון
לפרפר זנב-סנונית ההרים (mountain swallowtail Papilio Ulysses,) כנפיים מרהיבות, בצבעי שחור וטורקיז מבהיקים. אלא שדווקא התכונות הנסתרות מהעין הן שהופכות את הפרפר למודל נחשק עבור צוות חוקרים ומהנדסים בינלאומי. צוות שכולל חברים משבדיה, ארצות הברית וקוריאה שוקד על חיקוי המבנה שמקנה לפרפר תכונה יוצאת דופן של דחיית מים ושמירה על הכנף יבשה גם בתנאי רטיבות.

המפתח לתכונה זו נעוץ במבנה המיקרוסקופי של כנפי פרפר. המולקולות המרכיבות את השכבה החיצונית של הכנף כולאות ביניהן כיסי אוויר, ואלה מהווים חיץ בין הפרפר לסביבתו החיצונית, מבלי להוסיף משקל לכנף. זוהי דוגמא נוספת לעקרון עיצובי נפוץ בטבע: שימוש בארגון החומר במבנה מסוים על מנת להקנות לו תכונות מסוימות, במקום להשתמש בחומר אחר, נוסף.
צוות החוקרים פיתח טכניקה לחיקוי המבנה תוך שימוש בשכבות דקיקות של סיליקון, מהן מוסרים חלקים זעירים בתהליך חריטה. המבנה הרב שכבתי שנוצר כולא בתוכו כיסי אוויר זעירים בצורות שונות ובעומקים שונים (מבנה הנחשב לפגום בסיטואציות אחרות). המשטח שנוצר מגביר את ההידרופוביות של הסיליקון, במיוחד בתחום שמעל הטווח הנראה לעין אנושית.
ניסיונות קודמים לחקות מבנים אלו בכלים הנדסיים לא החזיקו מעמד זמן רב: המבנים איבדו את תכונת הבידוד שלהם תוך זמן קצר יחסית בגלל הפרעות חיצוניות. הפעם התברר כי הטכניקה החדשה מובילה למוצר עמיד יותר, השומר על תכונותיו ללא שינוי במשך שנה ומעלה.
שימושים אפשריים למשטחים מסוג זה יכולים להימצא במכשירים אלקטרו-אופטיים, בחיישני אינפרא-אדום ובחיישנים כימיים.