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 2014

קוראים יקרים שלום,

שנת 2014 היתה שנה מלאת פעילויות, כנסים, הרצאות וסדנאות. אלפי ילדים במערכת החינוך הפורמלית והבלתי פורמלית נחשפו לתחום הביומימיקרי והתנסו בחשיבה יצירתית ביומימטית. פרט לפעילות במערכת החינוך, יותר ויותר חוקרים בוחרים בביצוע מחקר ישומי ביומימטי ומספר חברות ישראליות פרצו לתודעה בעקבות פיתוח טכנולוגיה ביומימטית.
 
ב- 23.02.15  יפתח המחזור השלישי של הקורס "מבוא לביומימקרי", לראשונה בפורמט חדש הכולל מספר ימי לימוד מרוכזים וסיור שטח. הקורס תוכנן לספק חווית למידה מהנה המבוססת על מפגש בינתחומי ושיטות הוראה מגוונות, ולהקנות את מיטב המתודולוגיות והכלים הקיימים כיום למתכננים. לפרטים וסילבוס אנא פנו למייל: Info@biomimicry.org.il

החודש, בחרנו להתמקד בתופעות טבע מעניינות ומעוררות השראה. לקראת נשיקת הסילבסטר נספר לכם על מתנות החיזור שבעלי חיים מעניקים בתהליך החיזור, נתאר התנהגויות מעוררות השראה המסייעות לבעלי חיים להתמודד באסונות טבע, על האפשרויות הטמונות בחוש הריח של הזבוב (!) לאיבחון מחלת הסרטן, ארס הצרעה כחומר אנטי-סרטני ועל הרעיון התכנוני המשוגע של פרח ה"שלד" שעליו נעשים שקופים במגע עם מים.
 
בברכת קריאה מהנה ושנת 2015 מלאת השראה,

צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי

מתנות, סקס ומה שביניהם


מאת ד"ר דפנה חיים-לנגפורד

מחקרים רבים מצביעים על כך שמתנות בממלכת החי הינה תופעה נפוצה למדי, כאשר רוב המתנות ניתנות כחלק מטקסי החיזור לצורך הזדווגות. המתנות, ברובן אכילות ולעיתים מזעזעות בעיניים אנושיות, ניתנות על ידי הזכר לנקבה במטרה שהנקבה תתרשם מהמתנה ותבחר בזכר כבן זוג. זו אולי תחבולה ישנה וזולה, אבל מסתבר שגם אחרי מילארדי שנות אבולוציה זה עדיין עובד...

חנקן אפור (צפור שיר) לדוגמא, לא יסתפק בסרנדה לאהובתו, אלא ישפד טרף על ענפים חדים ויציג אותו לנקבה. הנקבה תבחר את הזכר שהציג את ה"שיפודים" המרשימים והאיכותיים ביותר כאב לצאצאיה.
זבוב הפירות (הדרוזופילה המפורסמת), לא תסתפק בפחות מתכולת הקרביים של הזכר לפני שתסכים להיכנס איתו למיטה. הזכר יעלה את תכולת הקיבה שלו כמנחה לנקבה, יותר מפעם אחת, לפני שזו תיאות להזדווג איתו.
רוב העכבישים מעניקים טרף מת. הם אפילו עוטפים את המתנה בקורים כך שהנקבה חווה את התרגשות פתיחת המתנה. חלק מהעכבישים אפילו מבשמים את העטיפה כך שהמתנה כולה הופכת לכזו שקשה לסרב לה...
אצל גחליליות לעומת זאת, הגודל כן קובע..אחרי שהן זוכות למופע מרשים של נצנוצים, הן מופרות על ידי הזכר שסיפק את הספרמטופור (מתנת כלולות) הגדול ביותר. ספרמטופור הוא כמוסה המכילה תאי זרע וחלבונים רבים ואצל הגחלילית ככל שהספרמטופור עשיר יותר בחלבונים הסיכוי שהוא יפרה את הנקבה גדול יותר. אצל בעלי החוליות כמו הסלמנדרה, הנקבה תבחר בספרמטופור של הזכר שהציג את מופע החיזור המרשים ביותר.
העש מגדיל לעשות, ומתנת הכלולות שלו כוללת ציאניד, שהוא רעל קטלני ביותר. הציאניד לא הורג את הנקבה, אלא מהווה הרתעה משמעותית מפני טורפים. הנקבה מעבירה חלק מהציאניד לביצים ובכך מגנה עליהם.
"קח לך אישה ובנה לה בית...." מכל הרשימה הנ"ל קשה ביותר להתחרות בסוכיים, ציפורי שיר אוסטרליות. הזכר בונה סוכה מפוארת, ממש סוויטת ירח דבש ומציג אותה לנקבה. פתח הסוכה מפואר ומושך את העין בעיצובים שונים תוך שימוש בנוצות, קונכיות ואלמנטים עיצוביים נוספים.הנקבה תבחר בזכר שבנה את הסוויטה היפה ביותר.
מחקר על שימפנזים המעניקים מתנות לאורך זמן בתקופת החיזור, מגלה לנו את מה שאנחנו כבר יודעים. מתן מתנה חד פעמית לא תמיד מספיק, אך מצד שני, מתן רצוף של מתנות עלול להפוך את מקבל המתנה לקצת מפונק ולהעלות את רף הציפיות.

החוש השישי - מזיהוי תאי סרטן ועד חיזוי רעידות אדמה


מאת ד"ר דפנה חיים-לנגפורד

בעקבות תצפיות אנקדוטליות לאורך השנים, קיימות סברות שונות לגבי יכולתם של בעלי חיים לחזות אסונות טבע, לאבחן מחלות ועוד. חוקרים שונים הרימו את הכפפה וחקרו אנקדוטות אלו על מנת לבחון את אמיתותן מצד אחד ולנסות לחקותן מצד שני.

חיזוי אסונות: Hanry Streby מברקלי שבקליפורניה, הבחין שכ- 24 שעות לפני שסופה מגיעה, סבכון זהוב כנף (ציפור קטנה ממשפחת הסבכי) משנה את המיקום שלה. באחת התצפיות, 24 שעות לאחר נדידת הציפורים פגעה באזור סופת טורנדו שגבתה לפחות 35 קורבנות. בזמן שמטאורולוגים דיווחו על הגעת הסופה, הציפורים כבר התכוננו לעזיבן את האזור.
התמונה באדיבות Bmajoros

לעומת הציפורים ש"בורחות" לפני סופות, במחקר שבוצע באוניברסיטת מיאמי, נמצא כי כרישים דוקא "רודפים" אחרי סערות. מסתבר שכרישים שונים נמשכים למקומות שיש בהם שינויי טמפרטורה מהירים –בדיוק המקום בו סערות מתעצמות. על כן, מעקב אחרי תנועת הכרישים יכולה לסייע בניבוי התפתחות של סערות בים/אוקינוס.
רעידת האדמה הקטלנית שהייתה ביפן בשנת 2011 שימשה כר פורה לסקרים רטרוספקיביים לגבי התנהגות בעלי החיים לפני הרעש. הרעש גבה מעל 15,000 הרוגים, אלפי נעדרים ופצועים והסב נזקים אדירים לתשתיות ביפן, והוא נחשב לרעש הרביעי בעוצמתו בעולם מאז החלו המדידות. בסקרים שונים על התנהגות בעלי חיים נמצא שפרות, חתולים וכלבים הציגו התנהגויות חריגות מספר ימים לפני הרעש. בסקר על התנהגות חתולים, נמצא ששישה ימים ויותר לפני רעש האדמה הקטלני, חתולים הפגינו התנהגות חריגה ומתוחה. החוקרים משערים שחתולים זיהו את הרעידות לפני הזמן עקב חוש השמיעה המפותח שלהם בשילוב עם יכולתם לאבחן שינויים בלחץ האטמוספירי, כח הכבידה ועיוותי קרקע.
עוד נמצא במחקרים שנעשו בעקבות רעש האדמה ביפן, כי תנובת הפרות ירדה כשישה ימים לפני הרעש וכי כלבים הפגינו התנהגות לא רגועה בימים שלפני הרעש, התנהגות שכללה נביחות חריגות ואי שקט אצל כלבים שבדרך כלל אינם נובחים.
חיזוי מזג האויר: דבורים נעלמות לפני הגשם, הן חשות שינויים בלחות האויר וחוזרות למחסה בקן. ואילו לפני מזג אויר חם במיוחד, ניתן להבחין בהתכנסות של חיפושיות משה רבנו – במטרה לצמצם את איבוד הנוזלים בחום הצפוי.

זיהוי מחלות: כלבים יכולים לזהות סרטן הפרוסטטה בדיוק של 98%, כך פורסם השנה בכנס השנתי של ארגון האורולוגיה האמריקאי. לכלב כמאתיים מליון תאי ריח, לעומת חמישה מליון בלבד באף אנושי. יכולת ההרחה שלהם יכולה להסביר את היכולת לזהות סרטן. במחקר אחר נמצא שכלבים יכולים, לפי ריח הנשימה, לזהות אם לחולה סכרת רמת סוכר גבוהה או נמוכה. כמו כלבים, גם זבוב הפירות יכול לזהות סרטן, אפילו כאשר רק מספר קטן של תאים נגוע. במחקר שבוצע באוניברסיטת קונסטנז בגרמניה נמצא שזבוב הפירות יכול לזהות הבדל בין תא סרטני לתא בריא באמצעות חוש הריח בלבד. המחקר התמקד בסוגים שונים של סרטן השד אך החוקרים מאמינים שזבוב הפירות יכול לזהות סוגי סרטן נוספים. לא רק היכולת להבדיל בין רקמה סרטנית לרקמה בריאה הרשימה את החוקרים, אלא גם היכולת של הדרוזופילה, זבוב הפירות, להבחין בין סוגים שונים של סרטן השד.
גם לבני אדם יכולות חישתיות מרשימות, כמו היכולת לאקולוקציה (זיהוי מקום באמצעות קול), אך יכולות אלו באות לידי ביטוי בדרך כלל כשחושים אחרים נפגעים והמוח מפצה על הפגיעה בחוש אחד על ידי פעילות יתר מוחית של חושים אחרים.

תרגיל עוקץ לסרטן

מאת שמעון בוגן
ארס הצרעה הוא תערובת משוכללת מרובת מרכיבים. הארס הזה מיוחד ויוצא דופן בכך שהוא מכיל ריכוז גבוה של רעלים עצביים ביחד עם ריכוז גבוה של רעלנים פרוטיאוליטיים (אנזימים מפרקי חלבונים).

(רעל – חומר כימי בעל השפעות פיזיולוגיות מזיקות. רעלן – חומר ביוכימי שמסוגל לגרום להשפעות פיזיולוגיות מזיקות.)
  
התמונה באדיבות
Richard Bartz
מדענים ממכון המחקר הביו רפואי בברצלונה (IRB Barcelona) מפתחים תהליך ריפוי חדשני נגד סרטן השד, שמבוסס על חלבון מארס צרעה. עד כה (אוגוסט 2014) הוכתרו בהצלחה ניסויי מבחנה, שבהם בוצע חיסול ממוקד של תאים סרטניים באמצעות האנזים החלבוני שבארס. מדובר בלא פחות ממהפכה בטיפולים הכימותרפיים, מאחר שלראשונה מסתמן סיכוי לתהליך קטילה / חיסול / השמדה של תאים סרטניים שאינו פוגע בתאים בריאים, שאין לו תופעות לוואי ושאינו מאפשר לתאים הסרטניים לפתח עמידות.
ראש קבוצת המחקר, פרופ' מיגל מורנו, מסביר שהחלבון הנ"ל / המדובר / המוזכר גורם להיווצרות חללים ופתחים בקרום התא, חודר דרכו ומתערבב בנוזל התא וגורם למותו המידי (necrosis) או לתהליך השמדה עצמית (apoptosis).
עם זאת יש לזכור שלא ניתן להשתמש בנשק עוצמתי זה בצורתו הטבעית המקורית, עקב רעילותו הגבוהה וחוסר האבחנה בין תאי המחלה לבין תאים בריאים. כדי להשיג בידול מרבי שידרגו החוקרים את הרעלן לדרגת "סוס טרויאני". בכך מתאפשרת הכוונה והגעה של החומר אל התאים הסרטניים בלבד, כך שיצטבר ויפעל על תאי המטרה בלבד.
בתרגיל עוקץ כזה מנצלים החוקרים את תכונתם הבולטת ואת כוחם המודגש של התאים הסרטניים, לבצע פעולת ניתוק קשרים חלבוניים באמצעות אנזימים פרוטאוליטיים עצמיים ייחודיים שקשורים לדופן החיצונית שלהם. תכונה זו חלשה או לא קיימת בתאי גוף בריאים בכלל, ובתאי דם אדומים בפרט.
החוקרים במעבדה סינתזו את הרעלן - מיטופאראן - שבארס הצרעה אחרי שקבעו את סדר חומצות האמינו שלו, והצמידו אותו לשלד של פולי-L-חומצה גלוטאמית (PGA). בכך הפכו אותו לחומר תמים ולא פעיל ביוכימית. כמובן שתרבית התאים הסרטניים לא זיהתה את התכשיר כאויב שיש להתגונן מפניו, אלא כמתנה שמהווה מטרת מזון נאותה לפעולה ההרסנית השגרתית של החלבונים הפרוטאוליטיים שלהם.
ברגע שאלה גרמו לניתוק הקשר שבין הפולימר הנושא לבין הרעלן חזר האחרון לצורתו הפעילה, חדר מיידית דרך קרומי התאים הסרטניים, חורר אותם, פירק אותם והביא למותם.
כדי להגביר את האפקט ואת ההצלחה ציידו החוקרים את הרעלן, בצורתו הלא פעילה והתמימה, בתוספת של חלבון הנחייה, שמתביית ומתקשר בלעדית לקולטנים שמאפיינים במיוחד תאים של סרטן שד. בכך מיקדו עוד יותר, במיקום ובתזמון, את השחרור הסלקטיבי של הרעלן בתאים סרטניים ואת חיסולם. 

טיפת שקיפות

מאת יעל הלפמן כהן ויפעת יאיר
 

חדשנות ביומימטית מתחילה במקרים רבים ברגע של פליאה ממנגנון יוצא דופן ובולט בייחודו בטבע. תופעות שונות בטבע מדגימות רעיונות תכנוניים שונים מהמוכר והידוע לנו כמתכננים, רעיונות המכונים Crazy concepts , רעיונות "משוגעים", בספרות ההנדסית.

רעיון "משוגע" כזה מודגם למשל בפרח ה"שלד"  (Diphylleia Grayi :Skeleton flower )  אשר התגלה לאחרונה באזור מזרח אסיה ויפן. התפרחת של הצמח הרב שנתי הזה מתנשאת לגובה של כארבעים ס"מ ולרוחב של כמטר, ופורחת מאמצע האביב עד תחילת הקיץ, בתנאי צל.

במבט ראשון, פריחת הפרח נראית רגילה, אך לאחר מגע עם טיפות הגשם, עלי הכותרת של הפרח הופכים שקופים ונוצצים כמו זכוכית. כאשר הגשם פוסק, עלי הכותרת מתייבשים וחוזרים לצבעם הלבן. את התופעה תוכלו לראות בסרטון הבא:

 
 

הפרח כמעט ולא נחקר ואין תיעוד לגביו בספרות. ניתן רק לשער מה יכולות להיות הסיבות לתופעה המדהימה הזו. למשל:

1.      האבקה יעילה יותר  - עלי כותרת הפתוחים לרווחה במבנה המכונה "פרח צלחת" (בדומה לכלנית) מאפשרים האבקה על ידי חרקים. יתכן שהשקיפות מעלימה את עלי הכותרת ממאביקים פוטנציאלים שלא רצוי שיגיעו אל הפרחים בגשם, אז ההאבקה פחות יעילה בשל הרטיבות.  יתכן והשקיפות קשורה להעלמות של "מסלולי הנחיתה"  אשר מכוונים מאביקים אל האבקנים והצוף אשר במרכז הפרח. 

2.      הפחתת פגיעה ממזיקים - אולי הגשם מעודד חרקים מזיקים להגיע אל הצמח והשקיפות לא מאפשרת להם לראות היכן לנחות.

3.       מניעת מצבורי מים - יתכן שמי הגשמים נספגים בעלי הכותרת ופרט לשקיפות גורמים לתופעות נוספות כמו מידת החיספוס של פני השטח או מידת הקעירות שלהם. עלי הכותרת השקופים נראים שטוחים יותר ואולי זה מונע הצטברות מים בתוך הפרח אשר פוגעת באבקה. 

הפרח נמכר כיום כפרח נוי עם "גימיק" ייחודי, אך אם נבין את מנגנון השקיפות הזמנית של הפרח נוכל לפתח חומרים ביומימטיים חדשניים ההופכים שקופים במגע למים. ניתן לזהות יישומים אפשריים לחומרים כאלו, לדוגמא שקיפות עציצים כמדד ללחות הקרקע. אולי נוכל גם להשתמש במנגנון בצורה הפוכה ולפתח חומרים שקופים ההופכים לבנים במגע של מים, אידיאלי למקלחונים במקומות ציבוריים.

חדש(נ)ות מהטבע נובמבר 2014

קוראים יקרים שלום,

פעילות ערה מתרחשת בימים אלו במערכת החינוך. התכנית ביומימקרי לבתי ספר יסודיים יצאה לדרך, והשתלמויות רבות מועברות על ידי ארגון הביומימיקרי הישראלי במרכז הארצי להתפתחות מקצועית לעובדי הוראה בשלומי.

אנו עומדים בפני פתיחת המחזור השלישי של הקורס "מבוא לביומימקרי". לפרטים אנא פנו למייל: Info@biomimicry.org.il

החודש נציג טכנולוגיית אריזה חדשנית בהשראת הטבע, המאפשרת לארוז מוצרים ומשקאות בשכבה אכילה, עשויה מחומרים טבעיים, וללא פלסטיק.  נתמקד בדג הקשת ודג הנמר המצטיינים בציד של מטרות נעות מעל המים, תוך התמודדות עם השתברות האור במפגש בין המים לאוויר. נרחיב אודות עדשות נוזליות, בהשראת עיני בעלי חיים, הנמצאות כיום בחזית הטכנולוגיה בתחום האופטיקה. נסיים בסקירת התערוכה אודות פועלו של האדריכל דויד ינאי - כמובן, ממבט ביומימטי.
בברכת קריאה מהנה,

צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי

כיצד הטבע אורז את מוצריו ?

מאת: יעל הלפמן כהן

Wikipearl היא טכנולוגיית אריזה חדשנית בהשראת הטבע, המאפשרת לארוז מוצרים ומשקאות בשכבה אכילה, עשויה מחומרים טבעיים, וללא פלסטיק.

אריזות תופסות נפח רב בסל הקניות שלנו ובהמשך בפח האשפה ובאתרי הפסולת. האריזות בטבע לעומת זאת מתפרקות ו.....אכילות. אם היינו יכולים לאכול את האריזות שלנו, הייתה בעיית האריזות נפתרת בדרך אלגנטית, יעילה, מזינה וטעימה... כמו בטבע. השאלה היא אם ניתן לייצר אריזות כמו בטבע.

את השאלה הזאת בדיוק שאל פרופ' דויד אדוארדס, ממציא בהשראת הטבע, מאוניברסיטת הארוורד. שיתוף פעולה שלו עם מעצב ועם ביולוג הובילו לגיבוש הרעיון התכנוני של האריזה האכילה. התגובות הנלהבות ושותפים פוטנציאלים הביאו להקמת חברת ההזנק Wikifood ולגיוס הון מקרנות הון סיכון מובילות בארה"ב.

מקור ההשראה לפיתוח, אם כן, הן אריזות בטבע הבאות לידי ביטוי במגוון צורות ומקומות. קליפת הענב למשל היא אריזה שאינה רק מגנה מפני אובדן נוזלים וכניסת מזהמים, אלא גם מספקת חומרי הזנה ייחודיים. זהו תכנון רב תפקודי במיטבו. 

הטכנולוגיה מוגנת הפטנט שפותחה, WikiPearl, היא אריזה מהפכנית  למזון ומשקאות, נטולת פלסטיק, ועשויה מרכיבים טבעיים אכילים, מזינים, ומתכלים. האריזה עשויה מג'ל אלקטרוסטטי המבוסס על אינטראקציות בין רכיבי מזון טבעיים , יונים מזינים ורב סוכרים. מבנה זה אטום יותר בפני מים וחמצן יחסית לחלופות אחרות. האריזה האנלוגית לקליפת הפרי מותאמת למגוון משקאות ומוצרי מזון.

                               גלידת תות. תמונה באדיבות Wikipearl

יתרונות האריזה החדשנית ברורים: אריזה נישאת, ידידותית לסביבה, מספקת ערכים תזונתיים, יוצרת טעמים ייחודיים ומספקת חווית אכילה אחרת. בין היישומים אריזה לגלידה השומרת על קור לאורך זמן ארוך יותר מאריזות רגילות ויוגורט הנאכל עם אריזתו, ללא צורך בכפית, ברחיצת כלים, בהליכה לפח או לתחנת המחזור הקרובה.

הטכנולוגיה כבר זכתה בפרסי חדשנות וזוהתה על ידי מגזין הניו יורק טיימס כאחת מ- 32 ההמצאות שישנו את המחר. ללא ספק מדובר במהפכה אמיתית בדרך בה אנו אורזים כיום את מוצרינו.  בתאבון !

דגים כתגובנים

מאת: שמעון בוגן

דג הקשת ודג הנמר מצטיינים בציד של מטרות נעות מעל המים, תוך התמודדות עם השתברות האור במפגש בין המים לאוויר.
 
תגובן – טוקבקיסט (חלופון, האקד' ללשון העברית).
תגובית – טוקבק.

אתר הידען מפנה את תשומת לבנו לפיתוח המצאה של פריסקופ וירטואלי עבור צוללת חמקנית, כזה שאינו כרוך בהרמתו אל פני הים או מעליהם ולכן מקשה עוד יותר לגלות את כלי השייט. הטכנולוגיה החדשנית והמתוחכמת מפותחת ע"י קבוצת מדענים ומהנדסים בראשות יואב שכנר, פרופסור בפקולטה להנדסת חשמל בטכניון.

כדי להתוודע לנושא המרתק ולפרטים כדאי לגשת לכתבה של הידען המצורפת בקישור.

 כפי שמוסבר בכתבה "המכשול העיקרי בדרך לבנייתו של פריסקופ תת-ימי הוא השתברות האור במפגש בין המים לאוויר. תופעה זו מוכרת לכל מי שצלל אי פעם בבריכה והביט למעלה, או הכניס כפית לכוס מים: כאשר קרני האור חודרות למים, הן נשברות, ופירוש הדבר שהעצמים שמחוץ למים (או בתוך המים, בדוגמת הכפית) נראים מעוותים. ככל שפני המים גליים יותר כך מתעקמות קרני האור בכיוונים שונים, וכתוצאה מכך מתעוותים יותר העצמים שבחוץ.".
 
לעומת החוקרים, דג הקַשָּת Archer fish)) אינו מוטרד או סובל ממגבלה זו. הדג צד את החרקים שבתזונתו ע"י ירייה של סילון מים חזק אל מעל לפני המים, כשכל גופו, ראשו ועיניו נמצאים מתחת להם ורק קצה פיו משורבב לפני המים. הדג מכוון ופוגע בחרק בדיוק רב למרות העיוות המוזכר לעיל. מומלץ לצפות בסרטון המצורף בקישור המדגים את דג הקשת בפעולה.  


                         דג הקשת. תמונה מאת Trisha Shears, תחת רישיון cc 3.0
 
אחד הקוראים התגובנים לכתבה על פיתוח הפריסקופ לא התרשם במיוחד, גם לא מהדג. טענתו, המוצדקת, "לגבי הדגים, הם צדים חרקים שנמצאים בערך 70°-90° מעליהם, וגם זה נעשה באגם שקט ללא גלים"
 
על תגובית זו נותן דג הנמר (Tiger fish) מענה מוחץ וקטלני, בצורה של ציד סנוניות במהלך מעוף מהיר שלהן מעל למים. הציד מתחיל במעקב תת מימי תוך כדי תנועה, ממשיך בהאצה מהירה של השחייה, עובר לזינוק אל מעל המים הסוערים ומסתיים בלכידה מדויקת של ציפור המטרה.  מידע וסרטון המדגים את דג הנמר בפעולה מצורף בקישור.
 

עדשות נוזליות בהשראת האופטיקה של העין

מאת: עודד שמיר

עדשות נוזליות, בהשראת עיני בעלי חיים, נמצאות בחזית הטכנולוגיה בתחום האופטיקה.

מה נראה כמו תכנון אופטי נכון יותר, תמונה א' או ב'?


                            תמונה א מאת Neon Tommy's תחת רישיון cc 3.0

כנראה שתמונה ב', לפחות מהסיבה הפשוטה שהיא כוללת קצת פחות עדשות.
העין האנושית כוללת עדשה קשיחה חיצונית (קרנית) בעלת השפעה קבועה על האובייקט הנראה, ועדשה נוזלית פנימית שיש לה יכולת לשנות את קימורה. פעולה זו מתרחשת בהתאם לנקודה אליה אנו מתבוננים, באמצעות שריר טבעתי המותח את העדשה ומרפה אותה. פעולה זו נקראת אקומודציה, מעין שילוב של זום ופוקוס בפעולה אחת.
למעשה, כמעט כל חיה זקוקה למנגנון אקומודציה כדי לעבור במהירות ממבט קרוב לרחוק או להפך, ולשם כך רובן משתמשות במנגנון הכולל עדשה נוזלית בקונפיגורציות שונות.

מזה עשרות שנים מפורסמים מאמרים ונרשמים פטנטים בתחום צר באופטיקה, המכונה "עדשות נוזליות", בהשראת העדשה האקומודטיבית שבעין האנושית, אולם מעטים המוצרים שיצאו לשוק.
נאס"א לדוגמא, פיתחה משקפיים לאסטרונאוטים המאפשרים אקומודציה ידנית באמצעות עדשה נוזלית, למקרה שחל שיבוש בראייה של האסטרונאוט בחלל או שהוא נמצא בזווית עבודה קשה.

חברות אופטיקה קלאסיות, המייצרות כוונות טלסקופיות, משקפות, מצלמות וכו' משתעשעות שנים ברעיון, הן מודעות ליתרונות העצומים של עדשות נוזליות, שיוכלו, כמו בטבע,  לעבור במהירות ממצב ראיה אחד לאחר, שיהיו עמידות לרעידות ושברים, בעלות שחיקה נמוכה, חסכוניות מאוד באנרגיה, יכילו מעט חלקים נעים ויהיו זולות מאוד לייצור.

בין השימושים העיקריים של עדשות נוזליות כיום ניתן למצוא גלאי ברקוד ומכשור ביומטרי אשר דורשים פוקוס במהירות גבוהה.
חברת NuLens הישראלית פיתחה עדשה נוזלית להשתלה תוך עינית, המחליפה את העדשה הטבעית אצל אנשים שלקו בקטרקט, כלומר העדשה שלהם הפכה עם השנים לעכורה וצמיגותה נפגעה. החברה קיבלה השראה מעיניהן של ציפורי מים* אשר צריכות לראות במים היטב כמו באוויר, וברגע שהן צוללות אל תוך המים העדשה שלהן נלחצת כנגד הקשתית ומייצרת עדשה קטנה יותר, בעלת רדיוס קטן בהרבה המתאים לסביבה המימית.
העדשה המושתלת נלחצת כנגד טבעת פלסטיק המעוגנת לגלגל העין, ובכך נוצרת עדשה המופעלת כמו העדשה המקורית ע"י השריר הטבעתי שדוחף אותה קדימה.

* כדוגמת ה- Hooded Merganser הנראה בתמונה הבאה יחד עם חתך העין שלו באויר ובמים:


                     Hooded Merganser  מאת Makcolm תחת רישיון cc 2.0
                    

 
                          תמונת עדשה באדיבות חברת NuLens
                         תמונת חתך עיניים מתוך Journal of Ophthalmology
                                   
עולם האופטיקה התפתח לאורך עשרות שנים בכיוון של ריבוי עדשות, מכניקה מדויקת, עדשות משונות וציפויים מיוחדים. כשנכנסה המהפכה הדיגיטלית ביצע השוק קפיצת מדרגה באמצעות עיבוד תמונה, סנסורים מתוחכמים, מחשוב מהיר ואלגוריתמים מורכבים, אבל גם כוח המחשוב החזק ביותר תמיד ידרוש אופטיקה בסיסית.
נראה ששוק הסלולר מעמיד סף גבוה של דרישות טכנולוגיות בפני מגמת מיזעור המצלמה הכלולה במכשירי הטלפון הניידים, עובדה שתסייע לעדשות הנוזליות לפרוץ לתודעה – ולשוק.

חברת Varioptic פיתחה עדשה נוזלית המשנה את זווית הקימור שלה באמצעות שינוי מתח חשמלי במקום על ידי תזוזה מכנית, ובכך העלתה את דיוק המערכות והוסיפה ממד של יציבות (Stabilization) לתמונה. עדשותיה נמצאות בטלפונים החכמים של רבים מאתנו. ראו סרטון מצורף בקישור המדגים את מנגנון העדשה.

לאורך השנים הצעידה האקדמיה את תחום העדשות הנוזליות קדימה.
דוגמא אחת יכולה להמחיש לאילו כוונים עשוי התחום הזה להתפתח בעתיד. בדוגמא זו נחזור להתחלה, לטבע ולביומימקרי, ונראה כיצד הצליחו באוניברסיטת אוהיו לשלב בין יתרונותיה של העין האנושית, המאפשרת ראיית עומק ופוקוס מהיר, ועיניהם של חרקים, שאינם יכולים לשנות את ראיית העומק אולם יש להם זווית ראייה רחבה ביותר, בזכות עדשות קטנות ורבות על גבי העין. בפרויקט זה שולבו עדשות קטנות רבות על גבי עדשה נוזלית אחת ובכך התקבלה זווית ראיה רחבה במיוחד, יחד עם מנגנון שינוי פוקוס מהיר.

                                         
                             תמונה מאת Sam Droege תחת רישיון cc 2.0

 
תחום העדשות הנוזליות הוא אחד התחומים המובילים של פיתוחים טכנולוגיים, המאפשרים לעולם האופטיקה להתפתח בקצב מהיר, היום בסלולר ומחר ברכבים אוטונומיים ומיחשוב לביש.