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.

חד(ש)נות מהטבע דצמבר 2012

קוראים יקרים שלום,

שנת 2012 עומדת לקראת סיומה, וזו הזדמנות להביט אחורה על קפיצת המדרגה המשמעותית שנעשתה בתחום הביומימיקרי בארץ.

ראשית, אנו שמחים לבשר כי שיתוף פעולה בין החממות הטכנולוגיות המובילות, חממת קסניה וחממת ון-ליר יוצא לדרך בינואר 2013. כחלק משיתוף פעולה זה, חממת קסניה ו-ליר תפעל להקמת חברות הזנק בתחום הביומימקרי בישראל. יזמים בעלי רעיונות לפיתוחים טכנולוגים ביומימטים מוזמנים להגיש הצעתם לבחינת השקעה: xenia@info.co.il

במהלך שנת 2012 הרחבנו על 60 פיתוחים ומחקרים ביומימטיים חדשים בידיעון חד(ש)נות מהטבע, והמשכנו לקדם את המודעות לתחום באמצעות כתבות בעיתונות והרצאות בכנסים בינלאומיים.
השקנו את הכנס הישראלי הראשון בביומימיקרי לילדים, בשיתוף תוכנית קרב ורמת הנדיב, במסגרתו למדו תלמידי בתי ספר יסודיים תוכנית בביומימיקרי והתמודדו עם פיתוח מוצר בהשראת הטבע.
השקנו, בשיתוף עם מכללת אורנים, את שביל הביומימיקרי הישראלי, המזמן היכרות עם תחום הביומימיקרי בסביבה טבעית ובאווירת פנאי.
הרחבנו את הפעילות בספארי ברמת גן, במסגרתה נחשפים תלמידים ומבוגרים לתוכניות חינוך חווייתיות ומעשירות.

לשנת 2013 מתוכננת פעילות ענפה, הכוללת השקה של כנס בינלאומי אקדמי ראשון בביומימיקרי, בשיתוף עם המכון הטכנולוגי בחולון. הקול הקורא לכנס האקדמי יופץ בקרוב בקרב הקהילה המחקרית הבינלאומית במוסדות אקדמאיים שונים עולם.
עוד מתוכננת תערוכה בביומימיקרי בגן המדע במכון ויצמן, שתושק בקיץ הקרוב.
כנס ביומימיקרי לילדים יתקיים זו השנה השנייה ברמת הנדיב, במרץ 2013.

לראשונה, תשתתף מדינת ישראל בועדות התקינה לניסוח תקן בינלאומי ביומימטי במסגרתו פועלות קבוצות עבודה מכל העולם ליצירת סטנדרטיזציה בתחום הביומימיקרי באמצעות הגדרת טרמינולוגיות, מתודולוגיות וכלים לניהול תהליך תכן ביומימטי. יו"ר ומנכ"ל ארגון הביומימיקרי הישראלי, צפויות להצטרף השנה לועדות תקינה אלו.

לראשונה, משיק הארגון קורס מקצועי בביומימיקרי המיועד למתכננים, למהנדסים, לאדריכלים, לביולוגיים, ולאנשי ניהול והוראה, המעוניינים לשלב חשיבה ביומימטית וכלים ביומימטיים בעבודתם. לפרטים והרשמה.

בהזדמנות זו אנו רוצים להודות למתנדבים הנאמנים, המאפשרים לחזון ארגון הביומימיקרי הישראלי להתקיים – ולהמשיך לצמוח.

בברכת קריאה מהנה ושנה אזרחית טובה,

צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי

אורגניזם החודש: איך בוב ספוג מוריד את הזבל מבלי לזוז?

מאת: יעל הלפמן כהן

הספוגיים, יצורים ימיים רב תאיים פשוטים, מדגימים מערכת סינון יעילה אנרגטית מקור להשראה ומחשבה.
הספוגיים (שם מדעי: Porifera) הם בעלי חיים ימיים רב תאיים פשוטים, חסרי חוליות, איברים ורקמות. בניגוד לדמותו המצוירת והאהובה של בוב ספוג, הספוגיים חסרי יכולת תנועה. שמם נגזר מדמיונם למבנה של ספוג המכיל נקבוביות רבות.

במערכת הספוגיים מינים רבים ושונים, ואת רובם אפשר למצוא במים מלוחים. הספוגיים יכולים להיות קטנים מאוד אך גם גדולים במיוחד, להתנשא עד לגובה של כשלושה מטרים ולארח בארובתם אפילו בן אדם.
הספוגיים חסרי התנועה מסננים את מזונם מהמים העוברים דרכם. מים חודרים לתוך הספוג דרך הנקבוביות ומשם דרך תעלות אל חדרי הסינון, שם לוכדים תאים ייחודים את חלקיקי המזון והחמצן מהמים ובסוף התהליך מועברים המים, המכילים את תוצרי הלוואי, אל פתח היציאה דמוי הארובה.
הארובה מזוהה כחלק חשוב במבנה הספוגיים, והיא מהווה מרכיב חשוב במערכת הסינון של הקבוצה. המים המשוחררים מהארובה לאחר שהמזון והחמצן נספגו בספוג, מכילים את הפסולת המטבולית, בצורת אמוניה או פחמן דו חמצני. חשוב לשחרר פסולת זו באופן שלא יזהם את הזרמים הנכנסים לספוג בתחילת תהליך הסינון.

                                               תחת תנאי רישון אומנות חופשית

הגיוני לשער שלתהליך סינון מזון זה יש מחיר אנרגטי גבוה, אך מסתבר שהנקבוביות הקטנות פועלות כמשאבות בעלות אפקט ואקום על הסביבה. בדומה לתהליך ויסות הטמפרטורה בקיני הטרמיטים, המבוסס על זרימה פאסיבית של אויר בתוך מערכת של פתחים ותעלות, מנצלים הספוגיים, למעשה, את זרימת המים סביבם כדי להפחית את המחיר האנרגטי של סינון המים.
מבנה הספוג מכיל מספר פתחים בעלות שונות גיאומטרית (לא באותו גובה), המחוברים ביניהם דרך מערכת תעלות לארובה מרכזית. הפתח הגבוה יותר (בראש הארובה) חשוף לזרימה מהירה יותר וללחץ נמוך יותר (עפ"י עיקרון ברנולי). ומכיוון שכל נוזל (כמו גז) זורם מאזור לחץ גבוה לאזור לחץ נמוך, מתרחשת זרימה בתעלת הארובה כלפי חוץ.
בנוסף ליעילות האנרגטית, מבטיח מנגנון הסינון בספוגיים גם מזעור של כמות המים המזוהמים שעשויה לחזור אל הספוג עם הזרמים הנכנסים, עקב הרחקת המים היוצאים מהזרמים הנכנסים.
הסרטון המצורף בלינק זה מדגים באמצעות דיו (לא רעיל) כיצד מסננים הספוגיים את המים. מומלץ לצפות!
אז בפעם הבאה שאתם מורידים את הזבל, היזכרו במנגנון פינוי האשפה הפשוט, היעיל והחסכוני של הספוגיים.

למידע נוסף

להאיר כמו גחלילית

מאת: דפנה חיים לנגפורד

קבוצת החוקרים מדרום קוריאה פועלת לפיתוח תאורת LED  יעילה וזולה יותר. החוקרים מקווים כי חקר מבנה איבר ההארה של הגחלילית וחיקויו יאפשר זאת.
צוות חוקרים מדרום קוריאה מפתח מערכת הארה יעילה מאוד בהשראת הארה טבעית בטבע- ביולומיניסציה (Bioluminescence)
בטבע קיימים מספר אורגניזם המסוגלים ליצור הבזקי אור. פרט לגחלילית ולחיפושיות מאירות שונות, טוענים כי 90% מבעלי החיים הקיימים בעומק הים מייצרים אור ברמה כלשהיא. ליצירת האור על ידי בעלי חיים תפקידים שונים: הסוואה בסביבות חיים מסוימות, משיכה של טרף או משיכה בתהליך החיזור, דחייה וכמובן תקשורת בין פרטים שונים. יצירת האור, הביולומינסציה, היא תוצאה של ריאקציה כימית יעילה מאוד של הפיכת אנרגיה כימית לאנרגית אור. ברוב המקרים, מעורב בביולומינסציה הפיגמנט לוציפירין, שמחומצן על ידי האנזים לוציפראז ליצירת הבזק האור. בגחלילית, הבזקי האור מקורם בתהליך זה, המתרחש צמוד לבטן הגחלילית.
                                                   תמונה מאת art farmer תחת רישיון CC

במהלך המחקר גילו החוקרים כי המבנה הקוטיקולרי (השכבה החיצונית של החרק) של בטן הגחלילית בנוי משכבות רבות במבנה מאורגן. באמצעות מיקרוסקופיה אלקטרונית ואנליזה נומרית, מצאו החוקרים שמבנה השכבות פועל כמבנה אנטי רפלקטיבי, שמצמצם את איבוד האור ומגביר את יעילות ההארה. החוקרים יצרו דגם מלאכותי המשמש כעדשת תאורת LED. המבנה הננו-סטרוקטורלי, של פני השטח של עדשת ה LED שפותח בהשראת הגחלילית, להבדיל ממשטח בעל פני שטח חלקים, מגביר באופן משמעותי את מעבר האור הנראה בהשוואה לציפויים אנטירפלקטוריים רגילים.
מבנה ננו-סטרוקטורלי ייחודי של פני שטח בטבע בא לידי ביטוי בישומים רבים בתחומים שונים ומגוונים: פני השטח של עור הכריש ניחן ביכולות אנטיבקטריליות, המבנה הננו-סטרוקטורלי של כנפי פרפר המורפו המקנה צבעוניות מבנית מרהיבה, פני השטח של עלה הלוטוס המאפשרים יכולת ניקוי עצמית, פני השטח של קוטיקולת בטן הגחלילית מגביר את האור בצורה יעילה ועוד. חיקוי המבנים הננו-סטרוקטורלים מאפשר לא רק פיתוח יישומים חדשניים אלא גם יישומים סביבתיים בעלי יעילות רבה בניצול החומר או האנרגיה.

למידע נוסף

אנרגיה באופן טבעי

מאת: מאיה גבעון

עם תחזיות קטסטרופליות לשינויי אקלים קיצוניים ולהתחממות של למעלה מ-2 מעלות בטמפ' הממוצעת הגלובלית עד תום המאה, נעשה ברור מאוד שההתמכרות האנושית לאנרגיה המזהמת, שמקורה בדלקים פוסיליים מתכלים (נפט, פחם וגז טבעי), חייבת להיפסק. ברחבי העולם מושקעים תקציבים לא מבוטלים בפיתוח מקורות נקיים ומתחדשים, כדוגמת אנרגיה סולארית, הידראולית וגיאו-תרמית. אין ספק, שאם יש תחום שבו עלינו ללמוד – ומהר - מעולם הטבע, הרי שזה תחום האנרגיה. הן בפיתוח מקורות נקיים ומתחדשים, והן בהתייעלות בשימוש בהם.

להלן מספר דוגמאות לאורגניזמים שמהווים מקורות השראה לפיתוח טכנולוגיות בתחום:

אצת השור – קצירת אנרגיה מגלי הים

האצה BULL KELP (Nereocystis luetkeana) מגיעה לאורך של כשלושים מטר מהמשטח בקרקעית הים ועד קרוב לפני המים, ומייצרת לעצמה את האנרגיה בתהליך פוטוסינתזה, ככל הצמחים. בזכות מבנה, הכולל גבעול חזק וגמיש, "עלים" המותאמים לזרמים בעוצמה משתנה ומבנים מיוחדים מלאי גז, המשמשים כמצופים ושומרים על האצה זקופה וקרובה לפני המים, היא משגשגת באזורים נרחבים.
תנועת האצה עם גלי הים שימשה מקור השראה לחברת BioWave, המתמחה בקצירת אנרגיה מתנועת הגלים. החברה הקנדית פיתחה מערכת גמישה ומאורכת, המתאזנת על ידי יחידות מצופים שמחוברים לאורך "גבעול", דומה לאצה. כל יחידה של המערכת מייצרת 250 קילוואט לשעה של חשמל, מתנועת הגלים. בניגוד לאצה, בזמן שהים סוער במיוחד, יתמלאו המצופים המאזנים את ה"גבעול" המאורך במים, על מנת לגרום למערכת לשקוע לקרקעית ולשמר אותה בשלמותה, עד שהים יירגע שוב והיא תתפרש חזרה למלוא אורכה.


                               אצת השור. תמונה מאת EncycloPetey תחת CC       

חוכמת הים לטורבינות רוח יעילות יותר (לוויתן – ייעול טורבינות, להקות דגים – לסידור מערך טורבינות מיטבי)

חברת Whale Power הוקמה לטובת ייצור טורבינות רוח יעילות – כאלה המסוגלות להפיק אנרגיה גם בעוצמות רוח נמוכות יחסית. הפתרון ההנדסי נמצא בסנפירי לווייתנים גדלי סנפיר (humpback whales, Megaptera novaeangliae). נמצא כי בניגוד לתכנון הרווח, השפה המשוננת של סנפירי הצד של הלוויתן מפחיתה גרר (drag) באופן משמעותי, ומגבירה את יעילות התנועה. ומה שעובד בתוך המים – עובד גם באוויר. החברה מתמחה כיום בלהבים לטורבינות רוח ובמאווררי תקרה תעשייתיים, שמצליחים לייצר 25% יותר תנועת אוויר ממאווררים רגילים, תוך שימוש ב20% פחות אנרגיה.

טרמיטים – מופת לבקרה אקלימית פאסיבית

תילי הטרמיטים ((Macrotermes michaelsei המשמשים להם כקן, המתנוססים בנופים מדבריים למרחוק, מאכסנים מאות אלפי טרמיטים בכל אחד מהם – במבנה שהוא למעשה עיר זעירה. בזכות המבנה שלהם והאופן בו נמצאים הטרמיטים באינטראקציה עם סביבתם, הם מצליחים לשמור על טמפ' קבועה בתוך הקן ללא שימוש באנרגיה חיצונית או חומרים חיצוניים, פרט לאדמה שבה הם חפורים. בעוד שטמפ' הסביבה יכולה לנוע בין 40-1 מעלות צלסיוס, הקן ישמור על הטמפ' האופטימלית לגידול הפטרייה שמשמשת למאכל המושבה – 30.5 מעלות צלסיוס.
המעטפת העבה העשויה בוץ מוקשה, היא בעלת מסה תרמית מספקת לבודד ולמנוע שינויי טמפ' מהירים. בנוסף, תעלות אוויר צרות מתוך הקן במעלה התילים שמעליו יוצרות תנועת אוויר חם כלפי מעלה, בעוד שפתחים בבסיס המבנים מאפשרים לאוויר קריר יותר לחדור. כך נוצרת זרימה טבעית ומתמדת של אוויר רענן בתוך המחילות, גזים לא רצויים מאווררים, ונשמרת סביבה יציבה ואופטימלית.
עקרונות אלה יושמו גם במבנה מסחרי גדול בבירת זימבבואה, הררה, מבנה בשם איסט-גייט. המבנה נחנך כבר ב-1996, והוא הראשון המיישם עקרונות של קירור פאסיבי באופן מקיף, עד כדי כך שמערכות האקלים שבו עלתה עשירית בלבד מעלות מערכות קירור לבניינים רגילים, וצורכת 35% פחות מהאנרגיה הנצרכת בבניין רגיל בגודל זהה. וכבר עכשיו טוענים חוקרים – בשנים שעברו מאז נחנך הבניין, ההבנה של עקרונות הבנייה של הטרמיטים התרחבה, ויש תובנות חדשות שניתן ליישם ולהגיע למבנים חכמים וחסכוניים אף יותר.

למידע נוסף
אצת השור
טרמיטים

כליה ביונית?

מאת: אופיר מרום

המושג "ביוני" נטבע בשנת 1960 כתיאור ל"מדע של מערכות שיש להן פונקציה שהועתקה מהטבע" והווה ציון דרך חשוב בהתפתחות הדיון האקדמי בתחום הביומימיקה. כיום, רבות בזכות התרבות הפופולארית, המושג מקושר בעיקר לתיאור איברים מלאכותיים המאפשרים פעילות טבעית או על-טבעית של אברי גוף האדם. אומנם הנושא נשמע כמו משהו שנתקלים בו רק בספרי מדע בדיוני או בסרטים, אך ברחבי העולם עובדים חוקרים רבים במרץ כדי להפוך את הפנטזיה למציאות. כאלה הם החוקרים בפרויקט הכליה (The Kidney Project), עליו נרחיב בידיעה זאת.

מחלת כליות כרונית היא אחת המחלות השכיחות בעולם המערבי. בשלב מתקדם של המחלה מפסיקות הכליות לתפקד, רעלים מצטברים בגוף והחולה נמצא בסכנת חיים. הפתרונות היחידים למצב זה הם דיאליזה או השתלה כליה. טיפול דיאליזה מסנן את הדם מרעלים ביעילות יחסית אך, שלא כמו בתפקוד כליה נורמאלי, הדיאליזה אינה רציפה (לרוב ניתנת שלוש פעמים בשבוע למשך כמה שעות) וגם אינה מהווה תחליף לפעילות ההורמונאלית שמקורה בכליה. במהלך טיפול דיאליזה זורם הדם מחוץ לגוף החולה דרך פילטר בנפח גדול בתנאים לא פיזיולוגים של ספיקה ולחץ גבוהים.

למעגל הממתינים להשתלת כליה מצטרפים כל שנה מאות אלפי חולים בעולם, ועם כל חולה כזה מתגבר הצורך למצוא פתרון חדשני שיאפשר תחליף מלאכותי לכליה. פרופסור שיאבו רויי (Shuvo Roy) מהאוניברסיטה של קליפורניה בסן-פרנסיסקו, העומד בראש פרויקט הכליה, מקווה להביא את הבשורה בדמות כליה מלאכותית.

הכליות מטפלות בכל רגע נתון בכ 20% מספיקת הדם, בתהליך שמבוסס על עקרונות הנדסיים פשוטים של מפל לחצים, הפרשי ריכוזים ושילוב סוגים שונים של ממברנות. תכנון הכליה המלאכותית נעשה כך שיחקה ככל האפשר את פעולתה של הכליה האמיתית, והוא מתאפשר בזכות שילוב של כמה טכנולוגיות חדשניות. פעולת הסינון של הדם תיעשה על ידי ממברנות מיוחדות העשויות מסיליקון, שייוצרו בטכניקות מתקדמות המשמשות את תעשיית השבבים. החוקרים גילו שלא רק גודל החורים בממברנה חשוב, אלא גם צורתם. שלא כמו בפילטרים שמשמשים בדיאליזה, החללים בכליה הם יותר מלבניים, כמו מגרעות. התכנון המכאני של הכליה המלאכותית יהיה כזה, שלחץ הדם של החולה יספיק כדי לדחוף את הדם דרך הפילטרים, וימנע את הצורך במשאבה ובמקור כוח חיצוני. תסנין הדם יזרום דרך ביו-ראקטור שיכיל מצע של תאים, שיופקו מהכליה של החולה או של תורם. התאים יחושו את הרכב התסנין, וכפי שקורה בכליה רגילה, ייצרו משוב שיגרום לגוף לספוג חלק מהמלחים, מהסוכרים ומהמים ובכך לשמור על איזון. ההתקן כולו מתוכנן להיות בגודל של כוס, ולהיות בנוי מחומרים שלא יעודדו תגובה של המערכת החיסונית, בעיה נפוצה בהשתלות כליה. בזמן ההשתלה תחובר הכליה המלאכותית לשלפוחית השתן, ובכך תאפשר למושתל לחיות אורך חיים רגיל לאורך כל זמן פעולתה.

השנה הסתיים השלב הראשון בפרויקט והוכחה ההיתכנות של המערכת. כעת פועלים הצוותים על מזעור המערכת ועל הכנתה לקראת ניסויים קליניים, הצפויים להתחיל בשנת 2017. הפרויקט זכה להתעניינות רבה, לאחרונה קיבל מענק של כ-3 מיליון דולר מה-NIH ואף נבחר ע"י ה-FDA להשתלב בתוכנית ניסיונית של ליווי צמוד לתהליך הפיתוח, כדי לייעלו ולזרזו. אם הכול יתנהל כשורה, בעוד מספר שנים הכליה המלאכותית תהייה מוצר זמין לכל דורש, מוצר שיחולל לא פחות ממהפכה בעולם הרפואה. כל מי שמעוניין לעקוב אחר הפרויקט יוכל לעשות זאת באתר של הפרויקט, או בעמוד הפייסבוק שלו.

לאתר הפרוייקט

רשת עצבית מלאכותית

מאת: רעות מנשה

חשבו על כך רגע: לצורך ההתקדמות הטכנולוגית עצמה נדרשת טכנולוגיה. הטכנולוגיה מתקדמת בקצב מעריכי: בתחילה השינוי מתחיל לאט ובסופו מתקדם מהר מאוד. שתי האבולוציות, הביולוגית והטכנולוגית, שועטות באותו מסלול: התחלה איטית, המואצת בקצב גובר בשלב מסוים. יש המעריכים, כי אנו נמצאים ממש עכשיו בשלב ההאצה בעקומת ההתקדמות הטכנולוגית. היום מתרחשים מהפכים טכנולוגיים חשובים במהירות רבה יותר. האינטרנט הוא עלם בן עשרים ואילו מנועי החיפוש עוד לא בני מצוות.
טכנולוגיות המחשוב מתפתחות באותו מסלול צמיחה קצבי ומעריכי – על פי חוק מור, (שעקרון היסוד בו נקבע ב - 1965 על ידי גורדון מור, ממייסדי אינטל), חוק שקבע כי צפיפות הטרנזיסטורים במעגלים משולבים הכפילה את עצמה בכל 12 חודשים, דבר המשפיע על הכפלת הקיבולת והמהירות של המחשבים במחזוריות קבועה. באמצע שנות ה – 70 הכפיל מור את טענת עצמו פי שניים, וקבע כי מחזור ההכפלה יעמוד על 24 חודשים וכן הלאה וכן הלאה.

המוח האנושי
המוח מורכב מתאים. תאים אלה - תאי עצב, או נוירונים הקולטים את האות העצבי, מקושרים זה לזה באמצעות סינפסות. כל תא צובר קלטים דרך הסינפסות הרבות שבדנדריטים – ענפים המתפצלים ומעבירים את האות לתא הבא. די בתיאור זה כדי להניח שהמוח מורכב מתאים רבים, שכל אחד מהם קולט מסרים כלשהם מן התאים השכנים ברשת, ובהתאם למסרים אלה מפיק פלט הנקלט בתאים הקשורים לו, וכל זה על בסיס פעילות חשמלית המתקיימת בתאים.

איך פועל מיקרו-מעבד
המחשבים שאנחנו מכירים היום הם פרי פיתוח חדש יחסית (החל בשנות ה – 70 המוקדמות על ידי אינטל). לפני כן, נעשה שימוש במחשבים שתפסו נפח רב, ולא התאימו לייצור המוני. המזעור, ויכולת היצור ההמוני של המכשירים האלקטרוניים הנפוצים היום, קיימים תודות לפיתוח המיקרו-מעבדים (למרות שעדיין נהוג להשתמש במונח מעבד), אותם מעבדים המורכבים מצ'יפים (מעגלים חשמליים המכונים ג'וקים, שגודלם מיקרומטר או ננומטר בלבד, ואשר מכילים בתוכם רכיבים אלקטרוניים רבים המבוססים על חומרים מוליכים למחצה), תרמו להתפתחות המזעור האלקטרוני שהתחיל בשנות ה - 60 עם הופעת הטרנזיסטור. יתרונותיהם המיקרו-מעבדים רבים: הם בעלי מימדים קטנים, יעילים מאוד וניתנים לייצור המוני. היום חדרו השבבים (צ'יפים) לכל תחומי חיינו.
העצמים המכונים "תאי מוח" נקראים "נוירונים" בקרב הביולוגים. מדובר בתאים מהם מורכבת מערכת העצבים שלנו, ויש כמאה מיליארד מהם אצל אדם ממוצע. כל אחד מהנוירונים התפתח להיות מעבד אלקטרוני.

אז מה עומד בינינו לבין מחשב אנושי?
שני חסמים עיקריים עומדים כיום בפני המשך פיתוח המיקרו-מעבדים, והם מאטים את ההאצה הטכנולוגית:
• צפיפות אנרגטית גבוהה
• השתהות במסירת תקשורות
המחשב המהיר בעולם נבנה על ידי חברת Fujitsu, נמצא ביפן, הוא בעל קיבולת של 8 פטאפלופס וצורך למעלה מ – 12 מגה וואט של חשמל – תצרוכת המספיקה לכ – 10,000 משקי בית מודרניים. ככל שהטכנולוגיה מאיצה את מהירותה, משימות עיבוד הצ'יפים מסתיימות בזמן קצר יותר ויותר, זמני ההשתהות בעת התמסורות בין המעבדים או בין הזכרון למעבד משתהים ובעצם מעכבים.
לעומתו, מציגה ארכיטקטורת המוח האנושי יעילות מדהימה. בהשוואה למוח אנושי, המחשבים של היום הם לגמרי חסרי יעילות וזללני אנרגיה. המחשב המתקדם ביותר בעולם שנבנה - איך לא - על ידי האדם, מבצע מספר מסוים של פעולות מחשוב עבור כל יחידת אנרגיה, המהווה 0.0.1%~ מיכולת המוח האנושי לביצוע אותה פעולה. חוסר יעילות זה נמדד בתלות של המעבדים במיזוג האוויר הנדרש כדי לקררם, וזאת עקב החום הרב שנוצר.
בפרויקט ה – Aquasar אשר משתמשים ביכולותיו ב – ETH שבציריך, נעשה שימוש במוליכי למחצה אשר קירורם מבוסס על מים, קירור יעיל פי 4000 מאשר מערכות מיזוג האוויר בהם משתמשים כיום. בעצם, מתבצע שימוש בערוצים מיקרופלואידיים על מנת להעביר את החום. עצם השימוש במיקרו צ'יפים מוליכים למחצה מבטיח את פיזור האנרגיה ומגדיל אותה.
דוגמא נוספת היא הגורם הנוסף לחוסר היעילות האנרגתית במעבדים: אובדן האנרגיה במהלך שליחתו לצ'יפ הנדרש. מספר הפינים המוקדשים לאנרגיה בצ'יפ עולה בהרבה על מספר הפינים המוקדשים בו ליחידות הקלט והפלט. בעיה זו נובעת מבעיית המוליכים החשמליים, שהאנרגיה להחלפתם גדולה מאוד.
בעיה זו, ובעיות אלקטרוניות ופיזיקאליות נוספות מצאו פתרון ועוצבו לפי דגם מוח של יונק – השימוש באמצעי קירור נוזליים כאמצעים לשליחת האנרגיה בין הצ'יפים, בדרך היעילה ביותר. השימוש בנוזל לצורך קירור מערך העיבוד יאפשר גידול משמעותי ביכולת הצפיפות: החיסכון בחלל יאפשר ארכיטקטורות צפופות יותר, שלא לדבר על הירידה החדה בדרישות האנרגיה, ועל השיפור בזמני האחזור. וכל זאת בהתבסס על השראה ממוחו של יונק.
חוקרים ממעבדות המחקר של IBM הודיעו כי הצליחו לבנות סימולציה ממוחשבת של קליפת מוח של חתול. החוקרים בנו מערך מחשוב המורכב מכ – 150 אלף מעבדים וכ – 144 טרה-בייט של זיכרון פנימי, המיועדים לדמות את האינטראקציה של נוירונים בקליפת המוח. הפרויקט נחשב צעד משמעותי, המדמה מוח המורכב ממילארד נוירונים או תאי מוח, ועשרה טרילון סינספסות או קישורים בין תאי המוח.
אם מהירויות ויכולות המעבדים ימשיכו להתקדם כצפוי על פי חוק מור, ולהכפיל את עצמם בכל – 24 חודשים, לא רחוק היום (סוף העשור הנוכחי) בו נוכל לרכוש בכספנו ולהציב על שולחן ביתנו מחשב המדמה דימוי מלא של קליפת המוח האנושי.

למידע נוסף

חדש(נ)ות מהטבע נובמבר 2012

קוראים יקרים שלום ,

החודש בחרנו להרחיב מעט על המעופפים למיניהם: נספר לכם על חברה שמפתחת ומוכרת את השפירית הרובוטית, רובוטים מצויידים בחיישנים בהשראת הדבורה, ותעופתה השקטה של התנשמת. בנוסף נתאר מנגנוני הסוואה מרתקים בטבע ונשווה תהליכי התכנון בטבע לתכנון אדריכלי.

לראשונה בישראל - מוצע לקהל קורס מבוא לביומימיקרי בהיקף אקדמי. הקורס יתמקד בבסיסיים התיאורטיים והמעשיים של דיסציפלינת הביומימיקרי, וישלב התנסות מעשית בפיתוח אתגר ביומימטי. הקורס יועבר ע"י צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי וישלב הרצאות אורח של אנשי אקדמיה ותעשייה. הקורס מיועד למתכננים, מהנדסים, אדריכלים, ביולוגיים, אנשי ניהול והוראה המעוניינים לשלב חשיבה ביומימטית וכלים ביומימטיים בעבודתם.

קורס יפתח באביב. לפרטים והרשמה יש לפנות במייל ל- info@biomimicry.org.il



                                                 בברכת קריאה מעשירה ומהנה,

                                                            צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי

שקט - טסים

מאת: דפנה חיים לנגפורד

התעופה החרישית של עופות ממשפחת הינשופיים מסייעת להם לצוד את טרפם גם כאשר הוא מוסתר. באמצעות מבנה הכנף והנוצות יכולה התנשמת, לדוגמה, להתגנב אל טרפה מבלי שישמע אותה, תוך שימוש באיברי השמע שלה עצמה כדי לזהות את מקום הטרף. חוקרים מאוניברסיטת קיימברידג' שבאנגליה חוקרים את מבנה כנף התנשמת, במטרה להסתייע במודל טבעי זה בהשקטת תעופת מטוסים קונבנציונאליים.

למינים  שונים של ינשופים מגוון מנגנונים, שמטרתם לצמצם את הקול שמייצרות הכנפיים במהלך תעופה. מנגנונים אלה התפתחו במהלך האבולוציה כחלק ממנגנון ההישרדות של עופות ממשפחת הינשופיים. תעופה שקטה לא רק מתעתעת בטרף ומאפשרת את הצייד, אלא, במהלך התעופה אוזני העוף אינן מוסחות מרעש הכנפיים, והן נשארות כרויות לקולות הסביבה, דבר המאפשר להן איכון הטרף ביתר קלות.

כנפיים באשר הן, טבעיות או מלאכותיות, יוצרות טורבולנציה בתנועה באויר. כשמערבולות אלה מגיעות לקצה הכנף, הן מוגברות ומפוזרות כקול. כתוצאה מכך, כלי טייס קונבנציונאליים שכנפיהם ישרות, יוצרים רעש משמעותי.

התמונה באדיבות Justin Jaworski

לתנשמת שלושה מבנים ידועים התורמים לתעופה שקטה: (1) מסרק של נוצות קשות לאורך קצה הכנף, (2) חומר פלומתי מעל הכנף, ו (3) שוליים (פרנז'ים) גמישים בצד הכנף. כיום עדיין לא ברור אם לכל אחד מאלה השפעה משמעותית נפרדת, או שרק השילוב שלהם יוצר את אפקט ההשקטה המשמעותי. 

החוקרים בחנו את המבנים השונים ואת השפעתם על התעופה השקטה באמצעות בניית מודל תאורטי להעברת קול מקצה הכנף - שהוא בדרך כלל מקור לרעש משמעותי בתעופה מלאכותית. מניסויים ראשוניים עולה כי יש קשר בין מהירות תנועת האוויר לעוצמת הרעש ולהפחתה רבה של הקול בתדר גבוה בטווח השמיעה של אוזן האדם.


באמצעות מודלים מתמטיים, הראו החוקרים כי מרקם אלסטי ומנוקב בקצה הכנף יכול לצמצם מאוד את הרעש במהלך תעופה מלאכותית גם במהירויות גבוהות.
ימים יגידו אם בעתיד אפשר יהיה להתגורר ליד שדות תעופה בלי לסבול מרעש המטוסים.

חזונו של לאונרדו דה וינצ'י

מאת: אופיר מרום

במאמציו לפתח את הטיסה המלאכותית, פנה לאונרדו דה וינצ'י, לפני מאות שנים, לחקר בעלי חיים מעופפים, והתמקד בין היתר בחקר השפירית. היום, מממשים מהנדסי חברת  TechJet את החזון בפיתוח שפירית רובוטית.


השפיריות מציגות יכולות טיסה ייחודיות, ומהטובות ברמתן בהשוואה למיני חרקים אחרים. יתרונן נובע מהמבנה האופייני לשפיריות, של שני זוגות כנפיים הנשלטות באופן בלתי תלוי. המיומנות הגבוהה של תנועות הכנף מאפשרת לשפירית לרחף, לטוס מהר קדימה, לעשות סיבובים במהירות, לטוס הצידה ואפילו לדאות. מהיום, בזכות חברת  TechJect, גם אתם יכולים להיות הבעלים של שפירית פרטית משלכם.
 השפירית הרובוטית של  TechJect היא השיא של ארבע שנות מחקר ופיתוח שנעשו באוניברסיטת ג'ורגיה טק, מחקר שמומן בסיוע חיל האוויר האמריקאי. תהליך המחקר הוא דוגמה מובהקת לתהליך מחקר ביומימטי. צוות המדענים שעמל על המלאכה הגיע מאסכולות שונות, והשתתפו בו אנטומולוגים (מדעני חרקים), מהנדסי מכונות ומחשבים. הצוות למד את עקרונות המנגנון שמאפשר לשפירית עליונות אווירית, ולאחר מכן מימש אותם במהלך התכנון והבניה של השפירית הרובוטית.
התוצאה היא מוצר שאין כדוגמתו. מיקרו מל"ט (מטוס ללא טייס) וורסטילי, המשלב יכולת התקדמות מהירה כשל מטוס, ויכולת ריחוף כשל מסוק. מעבר לדמיון בעיצוב מבנה הכנפיים, דומה השפירית המלאכותית של  TechJect בצורתה ובממדיה הפיזיים לשפירית חיה. אורכו של הדגם הראשון שיצא לשוק כ-15 ס"מ, משקלו כ-25 גרם, והוא מונע על ידי סוללת פולימר ליתיום של 250 mAh, שמאפשרת זמן ריחוף של 8-10 דקות וזמן היברידי (ריחוף/טיסה) של 25 עד 30 דקות. אפשר לשלוט מרחוק בשפירית  גם בעזרת סמארטפון או טאבלט. תהליך התכנון נעשה בדגש על התאמה מודולארית, גם ברמת החלקים וגם בזמינות של חבילות בקרת טיסה שונות. החברה אף מספקת ערכת פיתוח תוכנה בקוד פתוח, כדי שכל משתמש יוכל להתאימה באופן אופטימאלי לצרכיו ולשתף את העדכונים עם משתמשים אחרים. השפירית הרובוטית יכולה לשאת עד 20 חיישנים משולבים, ובכך יכולה להתאים למגוון רחב של יישומים, בהם צילומי אוויר, משחקים, מחקר ופיתוח, ביטחון אזרחי וסיור צבאי. 
כיום נמצאת החברה בשלב של גיוס כספים, אותו בחרה לעשות על פי מודל של מימון ההמונים (crowd funding). החברה מציעה לרכוש מראש דגמים ברמות שונות של המוצר, ובמחיר מופחת. כבר בעת כתיבת שורות אלה, זמן רב לפני סוף מועד הגיוס, גייסה החברה יותר מפי שניים מהסכום המינימאלי שהציבה לעצמה, ומכרה כמעט את כל הדגמים שהקצתה. מי שרוצה לעזור במימון החברה, ולהיות בין הראשונים שברשותם שפירית רובוטית, מוטב שיזדרז.

אורגניזם החודש – הרואה ואינו נראה


מאת: מאיה גבעון
בעלי חיים רבים פיתחו יכולות הסוואה מרשימות כדי להגן על עצמם מפני טורפים. הגדילו לעשות דגי הים הפתוח, לרוב אלה החיים בלהקות, כמו ההרינג והסרדינים, המסוגלים להחזיר אור מגופם הכסוף וכך לבלבל את טורפיהם, המתקשים לאתר אותם בין הנצנוצים המוחזרים מפני המים. לאחרונה התברר שהתכונה הזו מופלאה עוד יותר משחשבנו: היא לא רק מונעת מהטורף להתמקד בטרף, אלא מעלימה אותו כמעט לחלוטין מעיניו.
התופעה מתאפשרת הודות למבנה החיצוני של קשקשי הדג, שגורם לקרני האור הפוגעות בהם לחזור באופן מקוטב. קיטוב אור מתרחש כאשר כל האור הפוגע בעצם כלשהו מוחזר כשהוא באותו מישור. קיטוב האור המוחזר מעצם מסוים מפחית באופן משמעותי את כמות האור המוחזרת ממנו, ומקשה על האבחנה בו.
 ידוע כי תכונת קיטוב האור מדגי ים כסופים מתאפשרת בזכות קריסטלים של תרכובת הנפוצה בגרעין התא, בסיס חנקני בשם גואנין, המתגבש בעורם של הדגים. צוות חוקרים מאוניברסיטת בריסטול, החוקר את התכונות הביולוגיות שמעניקות לדגים כסופים את יכולתם לחמוק מעיני הטורפים, פרסם לאחרונה מחקר, ששינה את התפיסה הרווחת לגבי אופן פעולת המנגנון. מסתבר, כי למעשה קיימות שתי שכבות של קריסטלי גואנין על שטח הפנים של הדג, ושילוב ההשפעה של שתי השכבות גורם לא רק לקיטוב האור המוחזר מהן, אלא שומר גם על רמת החזר גבוהה מגוף הדג. השילוב הייחודי הזה, בין קיטוב והגברת ההחזר, יוצר אשליה אופטית, שמגבירה את החזר האור מהדגים הכסופים בכל הזוויות, והופכת אותם לבלתי נראים בתנאים מסוימים של תאורה.  
אילו יישומים ניתן לשפר בעזרת המידע החדש מהדגים? כיום קיימים עזרים אופטיים שונים להפוך אור למקוטב, בהם משקפיים ועדשות שונות, פנסי LED, סיבים אופטיים ואמצעי ביטחוניים שונים להסוואה ולאיתור. החומרים המאפשרים את הקיטוב אינם אידיאליים מבחינת השפעתם על הסביבה, והם מיוצרים בתהליכים הכוללים, לעיתים, חומרים שאינם מומלצים לבריאות. המנגנון שיש לדגים עוקף את החסרונות האלה, שכן הוא נוצר בתוך אורגניזם חי ואינו כולל חומרי לוואי בלתי מתפרקים. יתכן שההבנה של החומרים ושל המנגנון יספקו לנו דרך חדשה ומקיימת יותר להשגת האפקט הנחשק של שליטה באשליות אופטיות. 

דבורה רובוט

מאת: זיו כהני

כבר ברשימות קודמות, ראינו שגופי מחקר רבים מפתחים רובוטים (בעיקר לשימושים צבאיים וביטחוניים), המחקים חרקים שונים. באוניברסיטת שפילד שבבריטניה כבר עברו לרובד הבא של מחקר טכנולוגי של החרקים, ומפתחים תוכנה שמחקה את מוח הדבורה.

התוכנה מתמקדת בחוש הראיה ובחוש הריח של הדבורים. בדרך זו רוצים החוקרים להשיג את החיקוי הקרוב ביותר לתנועת הדבורים האמיתית, ולהטמיע את ה"חושים" ברובוטים הקיימים היום, המבוססים בעיקר על הביו-מכניקה של הדבורים.
החוקרים טוענים שהרובוט ידע לפתור בדרך זו בעיות מורכבות יותר, כאלה שהרובוטים הקיימים כיום אינם מסוגלים לפתור. דוגמה לאינטגרציה כזו היא גילוי דליפת גז על ידי שימוש במכלול של חוש הריח ויכולת התנועה המכאנית של הדבורים. ה"דבורובוט" ימצא, למעשה, את הדליפה בצורה אוטומטית, בלי שנכוון אותו למקום מסוים. השאיפה היא שהרובוט יוכל גם "לצבור ניסיון וידע", וישתפר ככל שיבצע יותר פעילות.
לצורך חיקוי מוח הדבורה נעשה שימוש בחומרה היי-טקית ברמה גבוהה, כולל מעבדים גרפיים, רכיבי עיבוד תמונה תלת-מימדית ועוד. לאור שימוש בחומרה שכזו, ברור כבר עכשיו לחוקרים שעל אף שמוח הדבורה נחשב פשוט יחסית, החוקרים יצטרכו, על מנת לעבד את כל הנתונים בזמן אמת, לעשות שימוש במחשב סופר-מתקדם.


תהליך נועד לייצר תובנות משמעותיות מתחום האינטיליגנציה המלאכותית, כאשר אחת השאלות הגדולות מבחינת המחקר היא מה מניע ומה קובע את ניווט הדבורה בסביבה. ניווט זה קובע, למשל, את תהליך ההאבקה הטבעי שמבצעות הדבורות בטבע עבור פרחים.
התוכנה אמורה להיות מוטמעת ברובוט מכני המחקה דבורה, שפותח באוניברסיטת הארוורד, וכך ליצור את "הדבורה המלאכותית" השלמה.
עכשיו אנחנו צריכים רק לברר מי ישמור על זכויות הדבורים, כשהן יפגינו לאחר שיגלו כי רובוטים מחליפים אותן....

למקור הידיעה


 

עקרונות תכנוניים בטבע ובאדריכלות

מאת: יעל הלפמן כהן

העברת ידע מהטבע לאדריכלות מתאפשרת בזכות הדמיון בין תהליך התכנון האדריכלי והתהליך האבולוציוני. ההבדל בין התהליכים מעיד על הפוטנציאל הגלום בלמידה בינתחומית זו. חסמים טכנולוגיים שנפתרו בשנים האחרונות מאפשרים יישום עקרונות תכנוניים מהטבע בתחום האדריכלות.
תהליך התכנון האדריכלי ותהליך האבולוציה בטבע דומים במספר היבטים. כך, למשל, שניהם תהליכים לא דטרמיניסטיים מאחר וקריטריוני ההערכה ומטרות הפיתוח של תהליכים אלה משתנים, ומותאמים במהלך התהליך. נקודת דמיון נוספת היא השאיפה לתת ביטוי למספר פרמטרים, שלעיתים סותרים זה את זה, ולא להתמקד באופטימיזציה של פונקציה ספציפית (מטרה המאפיינת תכנון הנדסי). האופטימיזציה אפשרית בארכיטקטורה רק עם כמה פרמטרים טכניים או כלכליים (למשל אופטימיזציה של צריכת אנרגיה או חומר), אך היא אינה מאפשרת הערכה של תכונות כמו אסתטיקה או מרחב האיכויות העירוניות, שהן חיוניות לא פחות לארכיטקטורה מקיימת ומוצלחת. בטבע התאימו אורגניזמים עצמם, במהלך האבולוציה, באמצעות ברירה טבעית והתאמה לדרישות המשתנות של הסביבה. התוצאות הן פשרה במענה לדרישות סותרות, בניגוד לאופטימיזציה של פרמטר ספציפי. לאור ההיבטים המשותפים בין תהליכי התכנון האדריכלי והתכנון בטבע, נשאלת השאלה כיצד יכול תחום הביומימיקרי לספק תובנות חדשות לשדה הארכיטקטורה. בנושא זה עוסק מחקרם של Knippers & Speck , שפורסם השנה בירחון האקדמי Bioinspiration & Biomimetics.

לצד הדמיון בין תהליכי התכנון האדריכליים ותהליכי התכנון בטבע, קיימים גם הבדלים בסיסיים. כך למשל, מבוססת החדשנות האבולוציונית על מבנים ועל הפונקציות הרלוונטיות שלהם. כל מבנה מורכב מתת מבנים הבנויים מרכיבים דומים, ולכן במובן זה לא ניתן להפריד בין חומר למבנה. בארכיטקטורה, לעומת זאת, פונקציות שונות, כמו: מעטפה תרמית, הפרדה מרחבית, שירותי המבנה והעברת עומס, מוקצות לרכיבים שונים. הצורה הגיאומטרית לא תמיד קשורה לגיאומטריה של המבנה, בעיקר כאשר המניע התכנוני הוא אסתטי. בטבע, תומכות אבני הבניין הבסיסיות במבנה וגם נושאות חומרים המעוררים תגובות כימיות וסיגנלים מולקולאריים. ניתוח המבנים הטבעיים מראה, מנקודת מבט הנדסית, שהם מורכבים ממספר קטן יחסית של פולימרים (פרוטאנים, פוליסכרידים, שומנים, חומצות גרעין ועוד). תאים בודדים יוצרים רקמות, ואלה יוצרות איברים בעלי פונקציות שונות.

מבנים טבעיים לרוב אינם איזוטרופיים (תלויי כיוון), אך לעיתים הם מורכבים מסיבים כמו צלוליט או קולגן, שלהם תכונות תלויות כיוון. התכונות השונות של המבנים מושגות על ידי צורות אריזה ווקטורי כיוון משתנים של הסיבים. להטרוגניות כימית ומבנית תפקיד מהותי בהתאמה המקומית. מבנים טבעיים מורכבים ממספר רכיבים מצומצם המשתנים גיאומטרית, פיסית וכימית, בניגוד למבנים אדריכליים המורכבים מחומרים שונים ומרכיבים פונקציונאליים שונים (פלדה לשלד, זכוכית למעטפת וכדומה). לאור הבדלים אלה נשאלת השאלה האם יכולים הצורה המורפולוגית ועקרונות הפונקציה בטבע לשמש מקור ידע והשראה לתכנון מבנים ארכיטקטוניים יעילים.

כותבי המאמר זיהו מספר עקרונות תכנוניים המאפיינים מבנים טבעיים, אשר טרם יושמו בארכיטקטורה. יישום עקרונות אלה יכול לקדם חדשנות מקיימת במבנים אדריכליים:

• הטרוגניות - מבנים טבעיים מאופיינים בשונות גיאומטרית של הרכיבים שלהם, ובהתאמה מקומית של התכונות הפיסיות או הכימיות שלהם.

• אניזוטרפיה (תכונות תלויות כיוון) - מבנים טבעיים רבים מורכבים מחומרים מורכבים ברמת הסיבים, המבוססים על סיבים אנזיטרופיים.

• היררכיה - מבנים ביולוגיים מאופיינים ברמה גבוהה של היררכיה, מרמת הננו לרמת המקרו. בכל רמה רכיבים מוליקולריים דומים. במבנים ארכיטקטוניים יש מעט התייחסות לנושא ההיררכיה, ומושג של היררכיה טרם נחקר וטרם מומש.

• רב תפקודיות - סיבים בוטניים, למשל, משמשים גם למטרות מכאניות וגם לפונקציות פיסיולוגיות. בארכיטקטורה לא מוכרתטקסטורה אחידה שיש לה מספר פונקציות.

נראה, שאחד החסמים למימוש הפוטנציאל הגלום במימוש העקרונות האלה בשדה האדריכלי היה חסם טכנולוגי. חסם זה נפתח בשנים האחרונות, עם התפתחות יכולות למידול דיגיטלי ויכולות של תהליכי תכנון וייצור מתקדמים, המאפשרים נגישות למודלים ביולוגיים. טכנולוגיות תכנון אלה מאפשרות רמה גבוהה יותר של שונות גיאומטרית, והעברה של המורפולוגיה הטבעית לארכיטקטורה.

למקור הידיעה

חדש(נ)ות מהטבע אוקטובר 2012

קוראים יקרים שלום ,

תחום הביומימיקרי מתפתח כדיסציפלינה, ומחלחל גם לתחומים האקדמיים בעולם ובישראל.

החודש, בוועידה השנתית של הנדסה מכאנית באוניברסיטת תל אביב (ICME 2012), התקיים מושב ביומימטי שבמסגרתו הוצגו מחקרים ביומימטיים שונים של קבוצות מחקר מישראל, ביניהם המחקר על מנגנון הקפיצה של הנתוזית, שכבר הוצג בידיעון זה בעבר . על פרויקט מידול תנועת הזחל באמצעות מבני טנסגריטי שהוצג אף הוא במושב, תוכלו לקרוא בהרחבה בגיליון זה.

עוד בחרנו להרחיב החודש על פיתוח מערכות פוטו-וולטאיות המצוידות במנגנון עקיבה המחקה את תופעת ההליאוטרופיזם, על טורבינות רוח בהשראת דינוזאורים (!), על מבנים ייחודיים ומקיימים בהשראת הטבע, ועל מקומו של תחום הביומומיקרי בתכנון המקיים.

בברכת קריאה מעשירה ומהנה,

צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי

מידול תנועת זחל באמצעות מבני טנסגריטי

מאת: יעל הלפמן כהן

מודל חדשני של תנועת זחל, המבוסס על מבנה טנסגריטי, פורסם לאחרונה על ידי קבוצת חוקרים ישראלית בירחון האקדמי Biomimetics & Bionspiration.

שיתוף פעולה בין המהנדסים, הפרופ' עופר שי והדוקטורנט עומר עורקי מבית הספר להנדסה מכאנית באוניברסיטת תל אביב, וד"ר אורי בן חנן ממכללת אורט בראודה לפרופ' אמיר איילי מהמחלקה לזואולוגיה באוניברסיטת תל אביב, הניב מודל חדש של תנועת זחל, שאמנם נבנה בהשראת תנועת הזחל הביולוגי ומהווה מקור השראה לשיפור תנועת רובוטים, אך גם מצליח לספק תובנות חדשות לגבי תנועת הזחל.
תנועת הזחלים איטית וגופם רך, אך הם מדגימים צורת התקדמות יעילה וניידות מצוינת על משטחים קשים. הזחלים הם בעלי שלד הידרוסטאטי, המורכב ממערכת של שרירים המפעילים לחץ על הנוזל הפנימי של הזחל (ולא על עצמות כמו בשלד קשיח). במערכת זו, כל שריר שמתכווץ משפיע על כל השרירים האחרים (אם על ידי שינוי במתח שלהם ואם על ידי שינוי באורכם). לזחל מערכת שרירים מורכבת. בכל אחד מהפרקים של הזחל יש כ- 70 שרירים בודדים, כאשר לאורך הזחל, בין המקטעים השונים, מצויים שני שרירי אורך מרכזיים.
התנועה הבסיסית של הזחלים נוצרת כתוצאה מגל של כיווצי שרירים, המתחיל בקצה האחורי של הזחל ונע קדימה. בעבר נעשו ניסיונות למדל את תנועת הזחילה, אך רוב הניסיונות נעשה תוך שימוש באלמנטים קשיחים, המנוגדים לטבעו הרך של גוף הזחל.
המחקר הנוכחי מציע לתנועת הזחל מודל, שבו השליטה על רמת הרכות מושגת באמצעות שילוב חדשני של מבנה טנסגריטי בטופולוגיה ייחודית, הנקראת Assur tensegrity. מבנה טנסגריטי הוא מבנה המורכב משתי סדרות של אלמנטים: סדרת אלמנטים הנמצאים תמיד תחת עומסי לחיצה, וסדרת אלמנטים הנמצאים תמיד תחת עומסי מתיחה. כוחות המתיחה והלחיצה מאוזנים, כך שמבנה הטנסגריטי הוא יציב וסטטי.
                                  מבנה טנסגריטי מאת Bob Burkhardt

שימוש בעקרונות הטנסגרירטי נפוץ בטבע, וניתן לראותו במערכות ביולוגיות בקנה מידה שונה, כגון במערכת השלד המחוברת לשרירים ולגידים. למרות שמבני טנסגריטי הם סטטיים בדרך כלל, ניתן ליישמם בתנועה רובוטית. התנועה מושגת על ידי שינוי אורך האלמנטים במבנה, כך שצורת הרובוט משתנה. האתגר המרכזי בשינוי צורה של מבנה טנסגריטי הוא לשמור על האיזון בין הכוחות הפנימיים של האלמנטים בזמן התנועה, על מנת לשמר את היציבות המבנית.
המודל נבנה באמצעות תוכנת MATLAB, כאשר הסימולציה מתארת תנועה דו ממדית של הזחל ומבוצעת באמצעות ייצוג של כל פרק בזחל על ידי מבנה דו ממדי של Tensegrity Assur, המורכב משני כבלים ובוכנה, המחוברים בין שני מוטות. הכבלים נמצאים תחת עומסי מתיחה אנלוגיים לשני שרירי האורך המרכזיים בזחל הביולוגי, ואילו הבוכנה נמצאת תחת עומסי לחיצה אנלוגית לנוזל הפנימי של הזחל.
המודל מראה התאמה לחלק גדול מהמאפיינים הביו-מכאניים של הזחל הביולוגי. כך למשל, הלחץ הפנימי בזחל הביולוגי אינו פונקציה של גודל הזחל. במהלך גדילתו של הזחל, גופו גדל פי 10,000 אך הלחץ הפנימי נשאר זהה. באותו אופן מדגים המודל המוצע אותם כוחות לחץ, ללא תלות בגודל המודל. המודל אף מצביע על מאפיינים חדשים בנוגע לתנועת הזחל. לדוגמא, במהלך המחקר התברר כי כוחות הכבלים לא משתנים במעבר בין מנוחה לזחילה באופן משמעותי, והחוקרים מסיקים כי כמות האנרגיה שמשקיע הזחל בזחילה אינה גבוהה משמעותית מהאנרגיה המושקעת בזמן מנוחה.
המחקר הוא דוגמא מצוינת לשיתוף פעולה של בסיסי ידע הנדסיים וזואולוגיים, שמצד אחד תורמים ידע ליישומים אפשריים בתחום הרובוטיקה ולשיפור תנועת רובוטים, ומצד שני תורמים להבנה הזואולוגית של תנועת הזחל.

למאמר

בעקבות השמש

מאת: אופיר מרום

קבוצת חוקרים מאוניברסיטת וויסקונסין-מדיסון פיתחה מערכות פוטו-וולטאיות, המצוידות במנגנון עקיבה המחקה את מנגנון ההליאוטרופיזם שבטבע. ניסויי היתכנות ראשונים מצביעים על שיפור בתפוקת הזרם החשמלי הנוצר במערכת, בהשוואה למערכות ללא מנגנון עקיבה זה.
התהליך הנקרא הליאוטרופיזם (Heliotropism) הוא דוגמא נפלאה לפתרונות ההנדסיים שהטבע מספק לנו. המונח נקבע עוד ביוון העתיקה, והוא נובע מחיבור המילים "שמש" ו- "להסתובב". התהליך קיים בצמחים שונים בהם העלים או הפרחים זזים במהלך היום בהתאם לכיוון קרינת השמש. התנועה מתבצעת ע"י שינוי לחץ הטורגור, לחץ הנובע משינוי נפח התאים בעקבות מעבר של מים אל תוך התאים או אל מחוצה להם בהתאם לריכוז המלחים. שינוי נפח התאים דוחף את דפנות הגבעול, וגורם בכך לסיבוב של הצמח לכיוון הרצוי. התהליך מושג בזכות שינוי מאזן המלחים בתוך התאים, בעקבותיו נכנסים מים לתא ומשנים את נפחו. בזכות שינוי הנפח משתנה הכיוון של העלים או הפרחים לכיוון בו מתקבלת החשיפה הגבוהה ביותר לשמש.

                                 תמונה מאת Pudelek 

כיום, נמצאות בשימוש, מערכות פוטו-וולטאיות פעילות רבות המבוססות על אותו עקרון. מערכות אלה עוקבות אחר מיקום השמש בעזרת מכשירי GPS או חיישנים, ומשנות את זווית הקולטים בעזרת מנועים חשמליים כדי להבטיח את יעילותם המרבית. חסרונן של מערכות אלה הוא שלצורך הקמתן ותפעולן נדרשת השקעה אנרגטית וכלכלית לא מבוטלת. בהשראת תהליך ההליאוטרופיזם שמתרחש בטבע, תכננו קבוצה של חוקרים מאוניברסיטת וויסקונסין-מדיסון, מנגנון הליאוטרופיזם מלאכותי, אותו הם מקווים לרתום לטובת ייצור מערכות פוטו-וולטאיות יעילות יותר מאלה הקיימות היום.
בשיטה החדשה הציבו החוקרים את הקולטים הסולאריים על בוכנות מלאות באלסטומר מיוחד (liquid crystalline elastomer). אלסטומר זה נבחר בשל יכולתו להתגבש ולאבד מנפחו בזמן חימום. התהליך הפיך, ולאחר שהתקרר, חוזר האלסטומר לנפחו המקורי. כדי לשפר את תפקוד הבוכנות הוטמעו באלסטומר ננו-צינוריות פחמן, המשמשות כמעין ננו-מחממים בשל יכולתן לקלוט מגוון רחב של אורכי גל, ולהפוך באופן יעיל את אנרגיית הפוטונים לחום. בנוסף, החוקרים גם הציבו סביב המתקן מערך של מראות, שמרכזות וממקדות את אור השמש על הבוכנות. באופן הזה, בכל רגע נתון, הבוכנה הפונה אל השמש היא החמה ביותר, ודבר זה גורם לכל הקולטן להיות מוטה לכיוון ממנו מגיעה הקרינה החזקה ביותר, ובכך לנצל קרינה זו ביעילות הגבוהה ביותר. בניסויי היתכנות ראשונים, הן במעבדה והן בשטח, הראו החוקרים שהשיטה החדשה אכן עובדת, והמערכת כולה זזה באופן עצמאי בהתאם לכיוון ממנו מגיעה הקרינה החזקה ביותר ובעקבות כך גדלה גם תפוקת הזרם החשמלי. החוקרים מקווים שתהליך ההליאוטרופיזם המלאכותי אותו יצרו יאפשר בעתיד ניצול פשוט ויעיל של אנרגיית השמש.

למקור הידיעה