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 פברואר 2013

קוראים יקרים שלום,

תחום הביומימיקרי מתפתח בקצב מואץ בעולם כתחום מדעי המוביל חדשנות טכנולוגית סביבתית. מבט עדכני על התפתחות התחום תוכלו לקרוא החודש בתקציר מאמר שפורסם לאחרונה ומבוסס על ניתוח נתונים.
החודש בחרנו להרחיב על מנגנון הכיפוף הייחודי של הפרח ציפור גן עדן שהוביל לחדשנות הנדסית, על תהליך קיבוע פחמן דו חמצני המתרחש בגופם של קיפודי הים ועל תרומתו האפשרית למאבק במשבר האקלים, על מנגנון סינון קרינת שמש ייחודי שהתגלה באלמוגים ועל נהיגה בטוחה ויעילה בעקבות נחילים.

ההרשמה לקורס מבוא לביומימיקרי שיפתח באפריל 2013 ומוצע לראשונה בישראל ע"י ארגון הביומימיקרי הישראלי נמצאת בעיצומה !!!  מהרו והבטיחו את מקומכם. לקבלת סילבוס אנא פנו ל: info@biomimicry.org.il

בברכת קריאה מהנה,

צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי.

אין צירים בגן עדן

מאת: יעל הלפמן כהן

מנגנון ההאבקה של הצמח ציפור גן עדן, המבוסס על מנגנון כיפוף ייחודי ונעדר צירים, משמש כמקור השראה ומקור ידע לבניית מערכות טכנולוגיות חסכוניות באנרגיה ובעלויות תחזוקה.
מבנים ארכיטקטוניים כמו מערכות הצללה, מטריות או סוככים, מכילים בדרך כלל רכיבים נוקשים, המחוברים באמצעות צירים. רכיבים אלה נחשפים לעומסים במהלך השימוש, הם נשחקים וזקוקים לתחזוקה ולהחלפה. בטבע יש מבנים גמישים המציגים דרך אחרת להתמודד עם האתגר של הכיפוף. למרות שהמונח ציר מופיע בספרות לתיאור המחברים הגמישים שלהם, צמחים מתעקמים ללא צירים, אלא באמצעות מבנים דמויי צירים, המאופיינים בהפחתה מקומית של עובי החומר.
ציפור גן עדן הוא פרח נוי יפהפה דמוי ציפור, שציפורים מעבירות את האבקה שלו מפרח לפרח. הציפורים נוחתות על כותרת הפרח, ומשקלן גורם לכיפוף זמני של עלי הכותרת. הכיפוף חושף את האבקנים, ואלה נדבקים לרגלי הציפור, שאח"כ ממשיכה במעופה לפרחים אחרים ומבצעת את מלאכת ההאבקה. עם מעופה של הציפור ושחרור העומס מעלי הכותרת, האבקנים נסוגים אחורה למנח המקור, ומכוסים בבטחה ע"י עלי הכותרת הודות למאפיינים האלסטיים של המערכת. לצפייה במנגנון האבקה לחץ על קישור זה.

                      תמונה מאת Myukew תחת רישיון  CCAttribution-Share Alike 2.0

מנקודת מבט הנדסית, מנגנון הכיפוף של הפרח הוא מנגנון תנועה חסר צירים. כוח מכאני חיצוני (משקל הציפור) יוצר כיפוף של מספר רכיבים. בשל תכונותיהם האלסטיות של הרכיבים, האנרגיה האלסטית הנאגרת יכולה להחזיר את המערכת למצבה הראשוני.
מנגנון התנועה המעניין נחקר על ידי מר סיימון שלייטשר בסיוע אוניברסיטת שטוטגרט, ונרשם כפטנט תחת השם Flectofin. בתהליך פיתוח ביומימטי, שעלה מאתגר הנדסי של פיתוח מנגנון כיפוף ללא צירים, נבחנו מנגנוני כיפוף במספר צמחים, בהם גם ציפור גן עדן. בשלב הראשון נבנה מודל פיסיקלי המדגים התנהגות כיפוף דומה לזו המודגמת בצמח ציפור גן העדן. באמצעות מודל זה הועמקה ההבנה לגבי המנגנון והוגדרו הפרמטרים הגיאומטריים והחומריים הדרושים כדי לפתח יישומים של מנגנון זה. את משקל הציפור מחליפה לחיצה קלה באצבע, בעקבותיה מתחילה "השדרה" המרכזית להתעקם והחלקים המחוברים אליה מתכופפים לצדדים. לצפייה במודל הפיסיקלי לחץ על קישור זה.
למנגנון כיפוף זה, הנעדר צירים, ייתכנו יישומים רבים, מרמת המיקרו ועד ליישומים ארכיטקטוניים למבנים. יישום מכניזם הכיפוף ליישומים אדריכליים התאפשר לאחר שזוהה פולימר מתאים, בעל יכולות אלסטיות, המסוגל להגיע לסטייה גדולה לפני כשל. כרגע נמצאת בפיתוח מערכת הצללה בעלת רפפות, המאפשרת זוויות פתיחה הנעות מ- 90- ל – 90+. תהליך הכיפוף יכול להיות מופעל על ידי לחץ חיצוני שמפעיל המשתמש, או באופן אוטונומי, כתגובה לשינוי טמפרטורה. מאחר והמערכת פועלת ללא צירים ישרים, היא יכולה להיות מותאמת להצללה של חזיתות בעלות מבנה עקמומי.
השימוש במערכות מכאניות ללא צירים מוריד את רמת התחזוקה הנדרשת, ומביא חיסכון אנרגטי בתפעול. העדר הצירים מאפשר גם ייצור בשלב אחד וביטול הצורך בהרכבה.
מעניין לראות שדווקא צמחים הנעדרים יכולות תנועה מדגימים מנגנוני תנועה מרתקים. שוב אנו עדים לכך שתחת אילוצים באים לידי ביטוי פתרונות חדשניים בטבע. כמו ציפור גן העדן יש צמחים נוספים הראויים למחקר, הנושאים בחובם מנגנוני תנועה חדשניים היכולים להוות מקור השראה וידע ליישומים במספר תחומים, לרבות ארכיטקטורה, תעופה, טכנולוגיה רפואה והנדסה.

על קיפודי הים ופחמן דו חמצני

מאת: מאיה גבעון

שריונם של קיפודי הים מתקשח בזכות יוני הניקל שבגופם, המקבעים את הפחמן הדו חמצני הנמצא במים כסידן פחמתי במהירות ובנוחות. האם יוכלו הקיפודים לסייע לנו במאבק במשבר האקלים? צוות מדענים בריטי טוען שכן.
גזי החממה, ובראשם הגז הטבעי פחמן דו חמצני, (שמהווה חלק משמעותי בהרכב האטמוספרה שלנו) הופכים במהירות לאיום מרכזי על בריאותנו עקב יכולת אגירת החום שלהם, הגורמת לשינויי האקלים הגלובליים.
לצד מאמצים הכרחיים (אך בינתיים לא מספקים) של מדינות העולם להפחית את פליטת גזי החממה בתחומן, מחפשים חוקרים פתרונות טכנולוגיים, שיאפשרו להפחית את ריכוז הפחמן הדו חמצני באטמוספירה. הפתרון הטכנולוגי העיקרי המקודם כיום מתבסס על שאיבת פחמן דו חמצני מפתחי פליטות של תחנות כוח, למשל, והזרמתו בלחץ גבוה לכיסים במעבה האדמה. הדעות לגבי יציבות פתרונות אלה וכדאיותם עדיין חלוקות.

אנחנו, כרגיל, מציעים להסתכל על הטבע כמדד וכמודל. מחזור הפחמן בטבע מתבסס על ריאקציות כימיות פשוטות, הקושרות את הפחמן הדו חמצני והופכות אותו למינרל, שהינו בלתי מזיק ושימושי ליצורים רבים. במאמר שהתפרסם לאחרונה בכתב העת Catalysis Science and Technology, מדווח צוות חוקרים מאוניברסיטת ניוקאסל על תגלית, שיכולה לזרז פיתוח מנגנון זול ויעיל לקיבוע פחמן דו חמצני. הצוות חקר קיפודי ים, וגילה תהליך של קיבוע פחמן דו חמצני ממי הים בעזרת חמצונו בעזרת ניקל המצוי בגופם של קיפודי הים, והפיכתו לסידן פחמתי (קלציום קרבונט, 3CaCO), מלח מינרלי המהווה את השריון הקשיח שלהם. הניקל משמש כזרז בתהליך, כלומר מזרז את התהליך הכימי מבלי להיצרך במהלכו, כך שאותו יון ניקל יכול לזרז את התגובה הכימית שוב ושוב.

                        תמונה מאת Tomasz G. Sienicki תחת רישיון  CC Attribution 2.5

מוכרים זרזים אחרים בטבע המבצעים תגובה כימית דומה – כמו למשל האנזים אנהידראז פחמתי (carbon anhydrase), הפועל בתאי הדם האדומים ומסייע בהובלת הפחמן הדו חמצני בדם ובשמירה על רמת חומציות קבועה בדם. בניגוד לאנהידראז הפחמתי, הנעזר ביון אבץ, לפעולת הניקל יתרונות רבים, שיכולים לסמן אותו כפתרון טכנולוגי מועדף:

+ פעולת הניקל מתרחשת בטמפ' החדר, בלחץ אטמוספרי, וללא כל תלות בחומציות סביבתו,

+ הניקל מסיס ובעל תכונות מגנטיות, וניתן להיעזר בכך כדי להפריד אותו בקלות מתוך תמיסה.

+ ניקל זול אלפי מונים מאנזימים המוכרים כיום בשוק.

קיפודי הים אינם היחידים. המעטה המגן החיצון של צדפות ואלמוגים וכן חלקים קשיחים אחרים בגופם, העשויים סידן פחמתי (גיר), נוצרים על ידי שימוש בפחמן הדו-חמצני המומס במים. האם גם אנחנו נלמד לנצל את עודפי הפחמן הדו חמצני שמצטברים באשמתנו באטמוספירה באופן מקיים, ולהפוך אותם לחומר בסיס שימושי?

למקור בידיעה
מידע נוסף

אורגניזם החודש: מסנן קרינת השמש של אלמוגים

מאת: אופיר מרום

והפעם באורגניזם החודש, למה משתמשים אלמוגים בצבעיהם הסגולים-ורודים כדי לסנן את קרינת השמש, ואיך הם עושים זאת?

מינים רבים של אלמוגים תלויים למחייתם בזואוקסנטלות, אצות חד תאיות. הזואוקסנטלות מבצעות פוטוסינתזה באמצעות פיגמנטים קולטי אור, ובכך מנטרלות את החומצה הפחמתית אותה מפריש האלמוג, מספקות לו חומרי הזנה ומקנות לו את צבעו. עם זאת, במים הרדודים של שוניות אלמוגים, רמות אור נוטות להיות גבוהות מהנדרש, ולכן באופן פרדוקסלי, אור השמש החיוני יכול להזיק לאצות ולמארחיהן. בגלל הקשר הסימביוטי, מוות של הזואוקסנטלות גורם למעשה להלבנת האלמוג ולמותו ברעב. לאחרונה מצאו חוקרים מאוניברסיטת סאות'המפטון עדויות ניסיוניות לאופן שבו מתמודדים האלמוגים עם הבעיה.

   תמונה מאת  Peter Southwood  תחת רישיון  CC Attribution-Share Alike 3.0

במחקר נבדקה השפעת הצבעים הוורודים-סגולים שאופייניים לסוגים שונים של אלמוגים. לשם כך, בודדו החוקרים את הכרומו-פרוטאינים, אותו חלבון שאחראי ליצירת הצבע באלמוגים. בדיקות מעבדה הוכיחו את מה ששיערו החוקרים. הכרומו-פרוטאינים, שיוצרים את שלל הצבעים האקזוטיים בשוניות האלמוגים, משמשים למעשה כמסנני קרינה וכהגנה על האצות, בכך שהם "בולעים" חלק מהאור המזיק. החוקרים גם הציעו הסבר לתופעה המסתורית, שבה חלק מהאלמוגים צוברים כמויות גבוהות במיוחד של הכרומו-פרוטאינים באזורי גידול, כגון קצוות הענפים, או באזור של ריפוי פצעים. לטענתם, באזורים אלה עדיין לא התיישבו אצות, ולכן האור מוחזר בעוצמה רבה מהדפנות הלבנות של שלד האלמוג. העוצמה הגבוהה של האור מונעת למעשה מהאצה להתיישב באותו מקום. לכן, נראה שאלמוג משתמש בטריק מתוחכם כדי לפתור את המצב הזה. עוצמת האור הגבוהה משפעלת גנים שאחראים על ייצור הכרומו-פרוטאינים, מסנני הקרינה. לאחר שהאצות מאכלסות את המקום החדש, ומתחילות לצרוך את אור השמש בעצמן לטובת תהליך הפוטוסינתזה, מפסיק האלמוג לייצר כרומו-פרוטאינים, וכך חוסך באנרגיה הדרושה להמשך התרבותו.

המחקר תורם להבנת מנגנון ההתמודדות של האלמוגים עם עקה סביבתית, אך הוא יכול, כמובן, להוות השראה ליישומים ביומימטיים כמו קצירה דינאמית של אנרגיית השמש, או עבור חיישנים ביולוגים. מה אתם הייתם מציעים?

למקור הידיעה

נחיל בכבישים

מאת: רעות מנשה

יישום עקרונות הנגזרים מהתנהגות נחילים בטבע במערכות מרובות סוכנים דוגמת מערכת הכבישים, מהווה מקור לקידום בטיחות ויעילות בכבישים.
אלברט איינשטיין אמר פעם שארבע שנים לאחר שהדבורים ייעלמו מהעולם, ייעלמו ממנו גם בני האדם. למה חשובה כל כך הדבורה בעולם שלנו? הדבר הראשון שעולה במוחכם הוא בוודאי דבש. הדבש חשוב וטעים אבל זו אינה הסיבה היחידה למה הדבורה כל כך חשובה. מעבר לתפקידן של הדבורים בהאבקה (בהערכה גסה, לביס אחד מכל שלושה הבא לפינו אחראית באופן כלשהו הדבורה), מסתבר שהדבורים יכולות ללמד אותנו גם על תנועה ותחבורה.
תחבורה נמצאת במקום השני בארה"ב ברשימת הוצאות משק הבית, 18 אחוז מתקציב משק הבית מושקע בתחבורה. 13 מיליוני גלונים של שמן נצרכים מדי יום בעלות של בערך 1 ביליון דולר. המון חידושים מפותחים על מנת לתת פתרון לבעיית האנרגיה שהתחבורה צורכת: דלקים אלטרנטיביים, שלדות רכב קלות וחזקות יותר ועוד. פתרון אחד קיבל השראה ישירה מהטבע, ובשמו: נחיל האינטליגנציה. מדובר בתופעה שתוכלו לצפות בה גם בלהקות ציפורים, להקות דגים או נחילי דבורים, אם הם קרובים למקום מגוריכם. למרות אין ספור של פיתולים, סיבובים וצלילות, להקות אלה נעות כמקשה אחת, כאשר הפרטים בלהקה אינם מתנגשים זה בזה. מנגנון זה עתיד לצמצם יום אחד את מספר התאונות והאבידות בכבישים, וכל זאת מבלי להזכיר את החיסכון בזמן.


                     תמונה מאת Fir0002 תחת רישיון CC  Attribution-Share Alike 3.0

מחקרים רבים נעשו על להקות ציפורים, והתגלה כי בלהקת ציפורים אחת יש שלוש ציפורים אקטיביות, הלוקחות על עצמן את התפקידים הפונקציונאליים הבאים: יישור הלהקה, הפרדה בין היחידים והתלכדות. כל ציפור מנווטת לכיוון הטיסה הממוצע של הלהקה ותוך כך נשארת במרחק בטוח משכנותיה ומנווטת בממוצע כללי על פיהן. זוהי דוגמא למה שמכונה על ידי החוקרים: "התנהגות מתהווה".
בעולם החי, נחשבים החרקים (נמלים, דבורים, צרעות וטרמיטים) כמאסטרים בהתנהגות זו. כאשר הנמלה מחפשת מזון, היא משאירה אחריה שובל של הורמון הנקרא פרומון, אותו הורמון האחראי בין היתר על התקשורת ועל המשיכה המינית. כל נמלה אחרת המחפשת אחר מזון חוזרת במורד שביל ההורמונים החזק ביותר (המטוייל ביותר), מוצאת את האוכל וסוחבת אותו ביעילות ובחריצות בחזרה לקן.
בעולם הטכנולוגי, אנו יכולים לראות מערכת התנהגותית דומה, הנקראת לעיתים "מערכת מרובת סוכנים", בה נעשה שימוש במגוון הרחב של מערכות מידע, העושות שימוש בעקרונות אלו: העברת מידע, ניתוב מנות מידע במערכות טלקומוניקציה, העברת אנרגיה ברשתות הכוח, חיפושים באינטרנט, העדפות הצרכנים ומערכות לניבוי שוק - כולן שופרו על ידי מודלים אלו.
מערכת הכבישים המהירה שלנו היא דוגמא בסיסית למערכת שניתן ליישם עליה את מערכת העקרונות המבוססת ריבוי סוכנים. שינוי בתזמון ובמרווח המכוניות על הכביש מבלי לגעת בכלל במערכות החשמל שלהן יכול להוביל לשיפור בכ – 33% בצריכת האנרגיה של נהגים עירוניים. יותר טוב ממכוניות היברידיות.
חברת וולוו התחייבה לייצר מכונית חסינת פגיעות עד 2020, והמהנדסים שלהם לומדים את הרגלי התעופה של הארבה על מנת להשיג תובנות כיצד עושים זאת. הארבה עף בקבוצות של מיליונים ללא התנגשויות בזכות הרשת העצבית שלהם, ששולחת הודעה חזותית לכנפיהם לצרכי כוונון מיידי.
שיפורים אלה הם חלק ממגמה כלל עולמית של פיתוח מכוניות יעילות וחכמות יותר. האם התנהגות הנחילים תסייע לנו במשימה זו?

למקור הידיעה





ביומימיקרי- מבט עדכני על התפתחות התחום

מאת: דפנה חיים לנגפורד

מחקר שנערך באוניברסיטת שפילד בבריטניה חקר את השפעת תחום הביומימטיקה על עולם ההנדסה, באמצעות סקירת מאגרי נתונים שונים. מהמחקר עולה כי התחום צמח בשני העשורים האחרונים מכ - 100 מאמרים בשנה, בשנות התשעים של המאה שעברה, לכמה אלפים בשנים האחרונות.

תחום הביומימטיקה הינו מעבר של מידע ממערכות ביולוגיות למערכות הנדסיות, תוך מינוף מיליוני שנות התפתחות והתאמה של מערכות טבעיות באמצעות ברירה טבעית. שימוש בידע ביולוגי הוביל לפיתוחים חדשניים ופורצי דרך בתחומים רבים, מרובוטיקה ואלגוריתמיקה ועד הנדסת חומרים וארכיטקטורה. יש להדגיש, כי ביומימטיקה אינה חיקוי של המודל הביולוגי כי אם חיקוי הפונקציה הביולוגית והמרתה לפונקציה הנדסית.
בשנים האחרונות אנו עדים לפיתוחן של טכנולוגיות ביומימטיות פורצות דרך, שאת השפעתן על החברה והכלכלה נראה בשנים הקרובות. קרנות מימון בינלאומיות שונות מתחילות לפעול בתחום ולקדם אותו (גם בארץ, חרתה קרן קסניה ון-ליר על דגלה את ההחלטה להשקיע בטכנולוגיות ביומימטיות).
מטרתו של המחקר הנדון ליצור מאגר מידע, שיאפשר הבנה סטטיסטית של התפתחות תחום הביומימטיקה. המחקר נותן מענה לארבע שאלות, תוך שימוש במאגרי נתונים של פרסומים מדעיים בתחומי ההנדסה ובתחומים נוספים: (1) היכן ניתן למצוא פרסומים בתחום הביומימטי,   (2) באיזו מהירות התחום גדל (3) באיזו נושאים התחום מטפל ו - (4) האם קיימות קבוצות מחקר בתחום.
על מנת לבנות מאגר נתונים גדול ואיכותי ככל הניתן, בחנו החוקרים את הופעת המושג ביומימטיקה בצורות שונות בכתבי עת ובכנסים הנדסיים. שיטת מחקר זו לא כוללת מחקרים שהמונח ביומימטיקה ונגזרותיו לא הופיעו בהם.
מניתוח הנתונים עולה:
 (1) מתוך כ- 18,000 עבודות שפורסמו בתקופת המחקר, כ -11,000 פורסמו בכתבי עת והשאר בפרסומים של כנסים. ב- 1,925 כתבי ועת ו- 1,545 כנסים היה לפחות אזכור אחד לתחום. כתבי העת המובילים במספר פרסומים בתחום הם: Biomaterials, Bioinspiration and Biomimetics ו-Journal of biomedical materials research 
(2) עוד נמצא מניתוח הנתונים כי בעשור האחרון, כל שנתיים - שלוש שנים מכפיל עצמו מספר הפרסומים בתחום, והתחום כולו נמצא בצמיחה מהירה בכל הנוגע לפרסומים בכתבי עת וכנסים.
(3) התחומים הנפוצים ביותר בקרב 18,000 המאמרים שנכללו במחקר הם רובוטיקה, בקרה וחומרים.
(4) בשנים האחרונות מתגבשות קבוצות עבודה בינלאומיות בתחומי המחקר המובילים, ואפשר לראות ניצנים לקהילה מדעית ספציפית לתחום.

מאחר שלא כלולים במחקר מאמרים שלא כללו את המונח ביומימטיקה ואת נגזרותיו, על אף חשיבות המחקר להבנת התפתחות הדיסיפלינה, התמונה העולה ממנו בשלב זה חלקית בלבד.

מגמת ההתפתחות המתוארת במאמר זה באה לידי ביטוי גם בהתפתחות התחום בישראל. הענין האקדמי והעסקי בתחום בא לידי ביטוי בכנסים אקדמיים, בהקמת חממה ביומימטית ובפיתוח תוכניות לימוד וקורסים, דוגמת הקורס שעתיד להיפתח באפריל 2013.

קישור למאמר