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 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

טורבינות רוח בהשראת דינוזאורים

מאת: דפנה חיים לנגפורד

לבעלי חיים גדולים יש, ככל הנראה, מנגנונים יעילים בכל הנוגע לזרימה של אויר או של מים. בעבר ראינו טורבינות רוח ביומימטיות בהשראת המבנה הגבשושי שעל סנפיר הלוויתן. מדענים בחברת סימנס הגדילו לעשות, וחיפשו השראה אצל מיני בעלי חיים נכחדים, כדוגמת הדינוזאורים.

כשמדובר בטורבינות רוח, כל תוספת להספק, ואפילו הקטנה ביותר, יכולה להוות שינוי משמעותי בתוספת האנרגיה המיוצרת בחוות טורבינות גדולה. בחוות קיימות החלפת טורבינות רוח בטורבינות חדשניות ויעילות יותר, היא משימה יקרה ולא סביבתית בעליל. על כן, בחרו בחברת סימנס לחפש פתרון לשיפור טורבינות רוח קיימות באמצעות תוספות עיצוביות יעילות וחכמות.


העיצוב של סימנס מורכב משלושה רכיבים: הראשון הוא להב טורבינה, המכונה DinoTail והוא מעוצב בדוגמת לוחיות הגב של ה- סטרגוזאורוס. עיצוב זה מגדיל את שטח הפנים של הלהב, ומשפר בכך את כוח העילוי ואת כוח הדחף של הטורבינה. בנוסף, כדי להתמודד עם הרעש הצפוי ממערבולות האוויר סביב הלהב, משוננות קצוות הלהבים להפחתת המערבולות.
הצוות בסימנס יצר מתקן נוסף בצורת אֵת שלג, המכונה DinoShell. מתקן זה מאריך את הלהב עד בסיס הטורבינה להגברת היעילות.
המרכיב השלישי בלהב הטורבינה החדש, הוא כעין סנפירים מזעריים, המאפשרים לאוויר להישאר זמן ממושך יותר בקצה הלהב ובכך לשפר את כוח עילוי.
המטרה של חברת סימנס בעיצוב פרה-היסטורי זה, היא להעלות את היעילות האנרגטית של טורבינות רוח ישנות בכ- 1.5%. אומנם זה שינוי קטן, אך כשמדובר בחוות טורבינות רוח גדולות, באמצעות העלאה של 1.5% בלבד בייצור האנרגיה, ניתן לספק את צרכי האנרגיה של אלפי בתי-אב נוספים, ולהביא שינוי משמעותי בתוספת עיצובית קטנה בלבד.

למקור הידיעה

מבנים ייחודיים ומקיימים בהשראת הטבע

מאת: יעל הלפמן כהן

מבנים בטבע מספקים מקור השראה וידע לאדריכלים. בידיעה זו נדווח על שני מבנים מענייניים, שנבנו בהשראת מבני הכוורות בטבע ובהשראת הארמדילו. המבנה הראשון נבנה במסגרת פרויקט לימודי וניסויי של סטודנטים לאדריכלות, והמבנה השני משמש כמבנה מגורים פעיל בסינגפור.

מבנה נפוץ בטבע, הידוע בשימוש חסכוני בחומר מצד אחד ובסיפוק חוזק מצד שני הוא מבנה המבוסס על שכבות צולבות, ונפוץ בכוורות, למשל. בית הספר לארכיטקטורה של אוניברסיטת סארלנד שבגרמניה, ביצע מחקר משותף בפרויקט הנקרא "מבני עץ ביוניים דמויי קונכייה", ובנה מבנה דמוי קונכייה המכונה Bowooss . המבנה מזכיר שריון של חרק, או כוורת אליפטית. בפרויקט התכנוני האמור ניסו המתכננים לחקות את היעילות בשימוש בחומר ולבנות מבנה בר קיימא. המבנה שתוכנן ונבנה הוא מבנה פתוח, המאפשר חדירה של אור טבעי מכל זווית מצד אחד, ומצד שני הוא חזק ונייד, ומהווה מחסה קל משקל ומקיים. אם נכסה מבנה זה בחומר מבודד הוא יוכל לשמש אף כמבנה למגורים, בתקציבים נמוכים יחסית, לרווחת תושביו. לעת עתה, מבנה זה, המצויד אף בערסלים, מציע מקום ייחודי לנוח במתחם הקמפוס של האוניברסיטה. לצוות בית הספר לאדריכלות הוא משמש גם כאמצעי לבחינת טכניקות בניה חדשות עבור אדריכלים.

למידע נוסף


                               תמונה מאת Tomfriedel תחת רישיון CC 3.0

בפרויקט אחר בסינגפור, תוכנן מבנה מגורים הממוקם בלב אזור סואן, רועש ומזוהם. הארכיטקטים מחברת  Formwerkz Architects נענו לאתגר, ומצאו דרך יצירתית וביומימטית לייצר סביבת מגורים שלווה, מינימליסטית ופרטית עמוק בלב הסביבה הסואנת. במקום לבנות גדר גבוהה שתחסום את המטרדים (וגם את השמש...) קיבלו האדריכלים השראה מהארמדילו, הנודע בשריון גופו, שמאפשר לו הגנה מחד וגמישות מאידך. (הארמדילו מסוגל להתקפל לכדור בעת סכנה). הבית תוכנן כמבנה בעל שתי קומות וחצי, המכוסות במעין קונכייה המייצרת משטח מגן. מאווררים מכאניים ממוקמים במפלס העליון ומושכים אוויר קר מהקומה התחתונה כלפי מעלה. הקונכייה חוסמת רעש ואבק, ומספקת תחושת פרטיות בלי לחסום את האור הטבעי ובלי לחסום את הבית בחומה. לאחרונה זכה הבית בציון לשבח בתחרות עיצוב יוקרתית.

למידע נוסף

ביומימיקרי ועיצוב בר קיימא

מאת: לירון דן

ביומימיקרי הוא כלי יצירתי נפלא ורב-גוני, המעודד את חקר החומרים, המבנים והתהליכים שבטבע. אך המרתם של אלה לתהליכים תעשייתיים, לייצור, לבנייה ולפיתוח בר קיימא מאתגרת מבחינה יישומית, ודורשת בדרך כלל זמן רב ותקציב למחקר ולפיתוח. כיצד, אם כך, משלבים גישה ביומימטית בפיתוח עיצובים ברי קיימא?

בתהליך העברת הידע מהטבע ניתן לזהות מספר רמות חיקוי. רמת חיקוי של צורה טבעית כלשהי היא הרמה הבסיסית. רמה זו מוגבלת, ואינה מחייבת הישגיות סביבתית גבוהה והיא מאפשרת חשיפה לעקרונות ולמבנים בסיסיים נגישים לכל. רמת החיקוי השנייה היא חיקוי של תהליך טבעי, כמו,למשל, פיתוח תהליכי צביעה של בדים ללא שימוש בחומרים רעילים. רמת חיקוי של מערכת אקולוגית טבעית - השלב העמוק וההוליסטי ביותר, בו תהליך ייצור כלשהו יוצר מערכת מעגלית המתוכננת לאורך כל מחזור החיים של המוצר, החל מחציבת חומר הגלם דרך עיצובו, יצורו ועד לפירוקו חזרה לחומרי גלם.
במגזין Zq 03 כותב ג'רמי פאלודי (Jeremy Faludi), אסטרטג לעיצוב לקיימות ומחנך, בטור דעה כיצד הוא רואה את הקשר בין עיצוב ירוק לביומימיקרי. פאלודי מציין כי ביומימיקרי הוא כלי בעל כוח רב עבור מתכננים, מעצבים, מהנדסים, אדריכלים ועוד, אך יש לדעת כיצד להשתמש בו בצורה הטובה ביותר.
בדומה לכל כלי אחר, גם לכלי הביומימטי יש את מגבלותיו. ג'רמי ממשיל זאת לעיצוב כתב עת. בתהליך העיצוב אפשר להשתמש בתוכנות שונות כמו פוטושופ ופאוור פוינט - שתיהן טובות, ולכל אחת מהן יתרונותיה וחסרונותיה, לכן, השימוש בשתיהן יחד משפר את הנראות, האיכות והיעילות של הפקת כתב העת.


                                             תמונה מאת לירון דן

פאלודי רואה את הכלי הביומימטי ככלי לפיתוח חדשנות ויצירתיות בדומה לשיטות אחרות לקידום חדשנות כמו ה-Triz או ה-Whack Rack, ומאמין כי יש לשלב את הביומימיקרי עם כלים נוספים. כמו, למשל, עם כלי מדידה אמפיריים לביצועיות הסביבתית, דוגמת ה LCA (Life Cycle Assessment) , טביעת רגל פחמנית ועוד, ו/או עם כלי תקינה סביבתית דוגמת תקן הLEED האמריקאי, Cradle to Cradle (מעריסה לעריסה), Energy Star ועוד, מערכות המאפשרות לקחת את הגילויים היצירתיים שהעניק הכלי הביומימטי ולזהות ביניהם את המוצלח והישים ביותר.
וולסטד ובוק מציעים שיטה חדשה המכונה The Biomimicry Card Deck”", כלי למעצבים, שנועד להרחבת הפתרונות היצירתיים האפשריים עבור צורך מסוים, בשלב הרעיוני בעיקר. השיטה כוללת מספר חבילות קלפים המחולקות לפי קטגוריות - למשל ריהוט, עיצוב ספורט וכדו', ו/או לפי פונקציות של עיצוב - למשל סוגי חיבורים והדבקות, מבנים או עקרונות מבניים. כל כרטיס מציג פתרונות שונים הקיימים בטבע, תמונות, וקישור למידע מעמיק יותר. מטרת הכלי ליצור נגישות קלה לתחום בדרך מהנה של משחק, ולאפשר גם למעצבים שלא נחשפו לתחום הביומימיקרי בעבר להבין את עוצמתו באופן מיידי.



להעמקה נוספת


Faludy, Jeremi, “Biomimicry’s Place in green design”, Zq 03 Journal, Fall 2012, PP. 120-129, www.zqjournal.org

C. Boks, N.L. Volstad, “On the use of Biomimicry as a Useful Tool for the Industrial Designer”, Sust. Development 20,2012, PP. 189-199.