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 אפריל 2012

קוראים יקרים,

החודש ציינו את שעת כדור הארץ. מיליוני בני האדם בכל העולם כיבו את האור לשעה אחת, כדי להגביר את המודעות לשינויי האקלים. במאבק שלנו לחיסכון באנרגיה ולצמצום פליטות גזים לאטמוספרה, נוכל ללמוד מן הטבע כיצד לבנות מערכות יעילות אנרגטית, וכיצד לנצל מקורות אנרגיה נקיים ומתחדשים. פתרונות יעילים אנרגטית בטבע ויישומים ביומימטיים בתחום האנרגיה הם נושא שאנו עוסקים בו בהרחבה בידיעון.
החודש בחרנו לדווח על ניהול תהליכי חשיבה מעגלית בספארי, על גלאי ביומימטי לזיהוי מזון מקולקל, על יישומים תפעוליים של אינטליגנציית הנחיל, על פלסטיק חדשני בעל יכולות ריפוי עצמיות ועל "כנפיים סולאריות" של פרפרים שעשויות לסלול דרך לייצור פאנלים סולארים יעילים אנרגטית.

בברכת קריאה מהנה,
צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי

מחשיבה ליניארית (קווית) לחשיבה מעגלית


מאת: מיכל טופז, ספארי רמת גן
חשיבה ליניארית, המקדמת ניהול יעיל של משאבי פסולת ומאפשרת הקטנת כמויות הפסולת, מודגמת בתהליך ניהול הפסולת בחצרות הפילים בספארי רמת גן.

"מקרטון לקוויאר" הוא מיזם סביבתי הפועל ביורקשייר, אנגליה. מיזם זה מדגים כיצד ליישם חשיבה מעגלית סביבתית, המקדמת ניהול יעיל של משאבי חומר, תוך הפחתת כמויות הפסולת.
המיזם מופעל באזור שוקק מסעדות המוכרות קוויאר. תהליך מכירת הקוויאר מייצר  פסולת של מזון ושל אריזות אשר באופן מסורתי הגיעו למטמנה או למזבלה. יוזמי הפרויקט אוספים את פסולת הקרטונים מהמסעדות, טוחנים אותם ומוכרים אותם למרכזי רכיבה, שם הם משמשים מצע דריכה ושינה לסוסים. עם תום השימוש במרכזי הרכיבה, מועבר מצע הקרטונים  לקומפוסטר תולעים. התולעים אשר מפרקות את הקרטונים מתרבות בקצב מהיר בזכות כמות האוכל. תולעים אלה משמשות בהמשך מזון לדגי החדקן הסיבירי, מהם מפיקים קוויאר, והקוויאר חוזר למכירה במסעדות. תהליך מעגלי זה מדגים ניהול יעיל של משאבי חומר והפחתת פסולת (לאתר המיזם: http://theableproject.org.uk/)

בספארי רמת גן אנו מיישמים חשיבה מעגלית דומה בניהול צואת הפילים. בטבע מבלים פילים את מרבית זמנם באכילת עלים, ענפים ועשבים. בספארי מקבלים הפילים בכל יום בערך טון מזון המורכב מפירות, ירקות ותערובת חציר. יוסי, הפיל שזכה בתחרות הפיל הגדול ביותר בכל גני החיות בעולם, אוכל כ 800 ק"ג מזון כל יום. לעיתים, המזון אינו מתעכל והוא יוצא בשלמותו. המטפלים, המחויבים לשמור על ניקיון החצר ותאי הלינה, חייבים לרוקן את כמויות הצואה על בסיס יומי.
פילים אפריקאים. התמונה באדיבות טיבור יגר, ספארי רמת-גן
עד לפי כמה שנים, הייתה הצואה מפונה לפח או מועברת לאתר חירייה, הסמוך לספארי. אך כיום, הוחלט בספארי לעבוד בצורה מעגלית, ובמקום לפנות את הצואה לפח מעבירים אותה המטפלים לשטח האפריקני הפתוח, בו מסתובבים בעלי החיים חופשי.  בעלי החיים האפריקנים נהנים מנשנוש קל בין הארוחות (כפי שהיו עושים גם בטבע), ויחד עם זאת הם נהנים גם להתחמם על ערמות הצואה הרכות. בפירוק הטבעי של הצואה משתחרר גז מתאן חם, אשר גורם לטמפרטורה להיות גבוהה בכ- 10 מעלות צלזיוס יותר מטמפרטורת הסביבה. בלילות חורף קרים דבר זה יכול לשמור על חייהם של צבאי התומסון,  ושל הגנו, הקאנות (אנטילופות גדולות) והראמים. (גם בטבע מוצאות אנטילופות ובעלי חיים אחרים מקלט מקור הלילה העז באזור צואת פילים וקרנפים). לאחר תסיסת הצואה, היא הופכת לקומפוסט באופן  טבעי, והמטפלים משתמשים בו כדשן אורגני לדישון עצים וצמחים שונים. אם מדשנים בו עצי פרי, או ירקות שונים – אפשר להשתמש בפירות ובירקות כדי להאכיל שוב את הפילים. והנה, התהליך הליניארי המסורתי הפך בספארי לתהליך מעגלי. 

גלאי ביומימטי לזיהוי מזון מקולקל

מאת: יעל הלפמן כהן

קבוצת מדענים מקוריאה פיתחה גלאי ביומימטי לזיהוי מזון מקולקל. הגלאי מבוסס על קולטנים במערכת האף של הכלב, והוא נותן מענה מהיר, זול ויעיל לגילוי מזון מקולקל באתר ייצור המזון, מבלי צורך לשנע דגימות למעבדות רחוקות.

כלבים ניחנו בחוש ריח מפותח במיוחד, הכולל קולטני ריח פי 40 יותר מאשר לאדם. חוש ריח זה כבר גויס לצורכי האדם, למשימות זיהוי עקבות לכודים תחת הריסות, גילוי סמים ואיתור חומרי נפץ. קבוצת חוקרים מאוניברסיטת סיאול שבדרום קוריאה חקרה את מערכת חוש הריח של הכלב במטרה לפתח גלאי ביומימטי לזיהוי מזון מקולקל, ולאחרונה פרסמה את ממצאי מחקרה בעיתון האקדמי Analyst.
התמונה באדיבות great_sea 
תהליך קלקול המזון מלווה בהתחמצנות של כימיקלים שונים ובשחרורם לאוויר. שיטות קונבנציונאליות לבדיקת מזון נעשות בתהליך איטי ויקר של דגימה, שבסופו נקבעת איכות המזון. צוות החוקרים פיתח גלאי ביומימטי, המאפשר זיהוי של מזון מקולקל בזמן אמת, ללא צורך בשליחת דגימות מזון למעבדות.
המערכת מורכבת מננו צינוריות פחמן המורכבות על שבב, והיא מצליחה לזהות בזמן אמת hexanal , שהוא אינדיקאטור לחמצון של מזון, בריכוזים של עד fM 1. המערכת יכולה להבחין בין hexanal לבין תרכובות אנלוגיות אחרות. יכולת זו הודגמה באמצעות זיהוי של hexanal בחלב מקולקל, שלא עבר עיבוד נוסף לצורך הבדיקה. 

למרות שחיישנים המבוססים על מערכות אפיות כבר פותחו בעבר, זו הפעם הראשונה שמחקים מעברי סיגנלים ביולוגיים אמיתיים. בהתחשב בתוצאות, מציעה המערכת שפותחה שיטה חדשה להערכת איכות המזון, והיא תאפשר פיתוח של גלאים נישאים, שיוכלו לתת מענה מהיר, זול ויעיל באתר ייצור המזון.
למקור הידיעה

נמלים בשירות מחלקת התפעול

אינטיליגנציית הנחיל (Swarm Intelligence), הוא תחום ביומימטי מפתיע, המתאר פיתוחים טכנולוגיים בתחומים שונים בהשראת חרקים. כיום רבים והולכים פיתוחים מבוססי אינטליגנציית הנחיל: עיבוד תמונה בהשראת להקות ציפורים, ויסות טמפרטורה בהשראת טרמיטים, פרוטוקולי תקשורת טלפוניה בהשראת שיחור מזון בנמלים ועוד. אבל גם לתהליכי תפעול שונים, כמו איסוף סחורות במחסנים, נמצא פתרון יעיל בהשראת אינטיליגנציית הנחיל של הנמלים.
במכון Fraunhofer ללוגיסטיקה בדורטמונד, גרמניה, פיתחו מערכת היסעיות ללא נהג, המבוססת על אינטליגנציית הנחיל, ואשר מטרתה לשפר את זרימת החומרים והסחורות במחסנים. החוקרים יצרו דגם מוקטן של מחסן סחורות, בגודל של כ- 1,000 מ"ר, עם מדפים, סחורות ועמדות לאיסוף הזמנות.

לב המחקר הוא נחיל של 50 היסעיות עצמוניות (ללא נהג), שמטרתן לבצע את כל המשימות הדרושות, מאיסוף מהמדף ועד לעמדת איסוף הסחורה. על מנת שההיסעיות תבצענה את משימת איסוף הסחורה באופן מדויק, כלומר היסעית אחת תאסוף את הפריט הדרוש מהמדף הנכון ביעילות מרבית, מבוקרות ההיסעיות באופן מקומי, וה"אינטליגנציה" מצויה בהיסעית עצמה. המערכת מושתתת על תוכנה שפותחה בהשראת תהליך שיחור מזון של נמלים מעבודתו של Marco Doirgo. כשמתקבלת פקודה, ההיסעיות מקבלות את המידע, ומתאמות ביניהן מי תאסוף את הפריט דרך תקשורת WLAN. המשימה עוברת להיסעית הפנויה הקרובה ביותר.
הסעית. התמונה באדיבות TheDematic Group
ההיסעיות אינן מעוכבות, מכיוון שהן מנווטות בחלל ללא כללים ו"דרכים". ההיסעית מאובזרת במערכת חיישניים וסורקי לייזר המאפשרים את מיקומה במרחב, חיישני מרחק, חיישנים למניעת התנגשות וכן יכולת חישוב של המסלול המהיר ביותר.

יתרונותיה של המערכת על פני תהליכי האיסוף הקיימים היום הם בדיוק הרב, בפוטנציאל לצמצום נתיבי התנועה, וכן בגמישות הרבה שהיא מאפשרת ובהתאמה לתנודתיות הדרישות בעונות השונות ובמהלך יום העבודה.
למקור הידיעה ומידע נוסף

הפלסטיק המדמם

מאת: לירון דן

פלסטיק חדש בעל יכולות ריפוי עצמיות, בדומה לעור האנושי, עשוי לקדם פיתוח של חומרים מקיימים ועמידים יותר.
בחודש האחרון הוצג לראשונה פלסטיק חדש שמדמם ומחלים בדומה לעור אנושי.  פלסטיק מיוחד זה הופך את צבעו לאדום כאשר נפגע, ו"מחלים" מהפגיעה כתוצאה מחשיפה לאור השמש או בתגובה לשינוי טמפרטורה. הפלסטיק משתקם, הצבע האדום נעלם והפלסטיק חוזר לצבעו המקורי בהדרגה בתהליך ההחלמה.

עוד בשנת 2009 היה צוותו של פרופסור מארק ו. אורבן מאוניברסיטת דרום מיסיסיפי הראשון לפרסם מסמך, המתאר מערכת פולימרים פגומה שמסוגלת לשקם עצמה כתוצאה מחשיפה לקרני UV. המחקר האחרון שפורסם הוא הרחבה ושידרוג של המחקרים שקדמו לו.
תמונה באדיבות פרופסור מארק ו. אורבן Courtesy:  Prof. Dr. M.W.Urban
הצוות חקר מערכות ביולוגיות טבעיות שיש ביכולתן לשקם עצמן, כמו רשת קורי העכביש, והתאים את המנגנון לעולם הפולימרים הסינתטיים. הפלסטיק המדובר מורכב מ"גשרים מולקולרים" אשר מתחברים אחד לשני, אך לאחר פגיעה מכאנית, אשר גורמת לניתוקם, הם מסוגלים למלא בחזרה את החללים הפגומים.
כיום, עובד הצוות על סממנים נוספים בנוסף לשינוי צבע, והקשורים ביכולת החלמה עצמית (Self-Healing). החומר המפותח נמצא בבדיקה מול חברות מסחריות שונות, והוא מיועד להגיע לייצור מוצרים כבר בשנים הקרובות.

התופעה המהפכנית תקדם פיתוח חומרים מקיימים יותר, על-ידי כך שחומרים יחזיקו מעמד לאורך זמן רב יותר, נראותם תהיה טובה יותר והם יחסכו אנרגיה בזכות יכולת השיקום שלהם והיתירות בייצור נוסף.
קיימים יישומים רבים לחומר בעל תכונות ריפוי עצמי בתעשיית הרכב, התעופה, הקוסמטיקה, הביו-רפואה, טכנולוגיות מחשוב, טלפוניה ואפילו גאדג'טים.

כנפיים סולאריות

מאת: יעל הלפמן כהן

מדענים מסין חיקו את מבנה כנפי הפרפרים, ובנו מערכת סולארית היעילה פי שתיים בקליטת אור, בהשוואה למערכות סולאריות קונבנציונאליות. המחקר יכול לסלול דרך לייצור פאנלים סולאריים המייצרים יותר אנרגיה לשטח נתון.

מערכות סולאריות הן אחד האמצעים הנפוצים כיום להפקת אנרגיה סולארית מאור השמש. מאמצים רבים מושקעים כיום במחקר ובפיתוח של פתרונות להגדלת היעילות של קליטת אנרגית השמש, המהווה מקור זמין ומתחדש של אנרגיה.
כבר דיווחנו בעבר על פיתוח עלים מלאכותיים, המבוססים על חיקוי תהליכי הפוטוסינתזה לייצור חשמל, ועל ניסיון להעלות את היעילות של הפקת אנרגית השמש באמצעות מבנים המחקים, למשל, את מבנה פרח החמנייה. מסתבר שכנפי הפרפר יכולות להציע דרך נוספת להגדלת היעילות של קליטת אנרגית השמש.

מהנדסי חומרים מאוניברסיטת Jiao Tong בשנחאי, חקרו את מבנה כנפי הפרפרים במטרה למצוא דרכים לבניית מערכת סולארית יעילה יותר. תוצאות מחקרם פורסמו לאחרונה בוועידה השנתית של ה- American Chemical Society.
לכנפי הפרפרים פוטנציאל גבוה לקלוט את אור השמש. תכונה זו מאפשרת לפרפרים להתחמם במהירות בבקרים קרירים. יכולת זו לקליטת אור היא נגזרת של מבנה מורכב.
התמונה באדיבות Glimmer721
החוקרים ביצעו מחקר ביומימטי קלאסי, והתבוננו בשני סוגים של כנפיים שחורות של פרפרים, כנפיים הקולטות חום בצורה הטובה ביותר. הם זיהו בכנפיים קשקשים מאורכים, המרובדים בשכבות במבנה דמוי רעפים של גג. הקשקשים מכילים חריצים, ובסופם חורים קטנים המתעלים את האור לעבר הקשקשים בשכבה שמתחת.  מבנה זה ממקסם את פוטנציאל איסוף האור עד כדי הכפלתו יחסית למבנה שטוח.
המדענים בנו מודל של הכנף כדי לבחון את יעילותו. המודל נבנה מדו תחמוצת הטיטניום, שמתפקד כזרז בתהליך שבירת מולקולת מים עם החשיפה לאור. הממצאים הראו הכפלה ביצור מימן במבנה המבוסס על כנף הפרפר (מבנה שכבות הקשקשים), בהשוואה למשטח שטוח. תוצאות מבטיחות אלה עשויות לסלול דרך לפיתוח מערכות סולאריות תלת ממדיות, שיקלטו אור בדרכים מורכבות יותר - יחסית למערכות סולאריות קונבנציונאליות ושטוחות.

למקור הידיעה