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 ינואר 2014


קוראים יקרים שלום,
אנו שמחים לפתוח את השנה החדשה עם בשורה על פתיחתו של המחזור השני של הקורס "מבוא לביומימיקרי- חדשנות סביבתית בהשראת הטבע". הקורס יפתח ב- 26.03 באזור המרכז.

הקורס מיועד למתכננים, מהנדסים, אדריכלים, מעצבים, ביולוגים, אנשי ניהול, סביבה והוראה המעוניינים לשלב חשיבה ביומימטית וכלים ביומימטיים בעבודתם.
הקורס מועבר ע"י צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי בשילוב מרצים אורחים מהאקדמיה ומהתעשייה.

לפרטים והרשמה:  info@biomimicry.org.il

החודש בחרנו לדווח על דבק ביומימטי חדשני המיועד לניתוחים לבביים בילודים, על שיתוף פעולה ביומימטי בין שפים למהנדסים שהוביל לחדשנות בתחום האומנות הקולינארית, על פולימר בעל יכולת חידוש עצמי העשוי להאריך את חייהן של סוללות הרכבים החשמליים, ועל מנגנון הנעת אלקטרונים בחיידקים העשוי לתרום לפיתוח תאי דלק או להפיכת פסולת לחשמל.

בברכת קריאה מהנה,

צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי

דבק רפואי בהשראת הטבע

מאת: דפנה חיים לנגפורד

דבק חדשני המחקה את יכולת ההצמדה של השממית ומפותח בחברת  Gecko Biomedical, יצמצם את רמת הסיכון של ניתוחי לב, את זמן הניתוח ואת התוצאות לאורך זמן.


טיפול במומי לב ביילודים דורש לא אחת הכנסת מכשור רפואי לחדרי הלב הפועם, איטום חורים בין עליות וסגירה של חורים שיוצרים כלי הניתוח. סגירה של חורים בלב פועם בסביבה רטובה היא אתגר ביו הנדסי משמעותי, והפתרונות הקיימים היום הם תפירה – תהליך איטי ומסוכן לרקמת הלב העדינה - או שימוש בדבקים בעלי רמת רעילות גבוהה.
מאות אלפי התינוקות הדורשים טיפול כירורגי לבבי נדרשים לחזור במהלך חייהם לניתוחים חוזרים, להחלפת התקנים לא מתכלים שאינם מתאימים עוד למידותיהם. במחקר משולב בין בית החולים לילדים מבוסטון, המחלקה להנדסה ביו-רפואית ב BWH ו- MIT , אשר פורסם לאחרונה על ידי ד"ר Karp בכתב העת  Science Translational Medicine, מתואר דבק בהשראת הטבע, שיכול להדביק בלב פועם טלאי מתכלה לסתימת חורים בין חדריו.
מתוך הבנה, שיצורים רבים בטבע מסוגלים להצמד למשטחים בתנאים דינמיים, ובהמשך למחקרו של ד"ר Karp על יכולת ההצמדה של השממית, פיתחו החוקרים חומר הידרופובי, מתכלה, אלסטי וביוקומפטבילי. לפי החוקרים, הטלאי המתכלה נשאר צמוד לרקמה גם בקצב לב מוגבר ובלחץ דם גבוה. להבדיל מדבקים רפואיים אחרים, דבק זה בעל כושר היצמדות גבוה בנוכחות דם ובתנאי סביבה דינמיים.


בניגוד לדבקים אחרים, המבוססים על הצמדה כימית, ההדבקה של החומר החדש מבוססת על הצמדה פיסיקלית. מחקרים מיקרוסקופיים הראו שהפולימר המחקה את יכולת ההצמדה של השממית משתלב בקולגן ובחלבונים אחרים על פני הרקמה, ובכך מיצר את ההדבקה.
מתוצאות מחקר פרה קליני בלב פועם של חזירים, עולה כי הדבק שפותח, חזק מספיק לשמור על שלמות הרקמה בדומה לתפרים. מנגנון ההדבקה עובר שפעול באמצעות אור אולטרה סגול (UV), ומאפשר הצמדה, תוך 5 שניות, של דופן הלב או דופן כלי דם. החוקרים טוענים כי שימוש בדבק זה יצמצם את רמת הסיכון של ניתוחי לב תוך צמצום זמן הניתוח ושיפור התוצאות לאורך זמן.
הטכנולוגיה מוסחרה והיא מפותחת בחברת Gecko Biomedical  אשר גייסה כשמונה מיליון יורו לצורך השלמת הניסויים.
 

מאסטר שף בהשראת הטבע

מאת: יעל הלפמן כהן

שיתוף פעולה בין מדענים, מהנדסים ושפים הוביל לחדשנות ביומימטית בעולם האומנות הקולינארית.

ביומימיקרי ידועה כדיסציפלינה רב תחומית המקדמת חדשנות, אך על חדשנות ביומימטית בעולם הקולינארי טרם דיווחנו. לאחרונה התפרסם מחקר בעיתון האקדמי Biomimetics & Bioinspiration, ובו דיווח על שיתוף פעולה בין מדענים ומהנדסים מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT) לבין שפים, שהוביל לפיתוח שני מוצרים המבוססים על תופעות טבעיות ומיועדים לעולם הקולינארי. בידיעה זו נרחיב על ספינת הקוקטייל.

ספינת הקוקטייל המיועדת להגשה בקוקטיילים, היא ספינה אכילה, בעלת מנגנון דחיפה עצמית, המונעת באמצעות כוחות הקשורים למתח פנים והמחקים את האופן בו רצי המים (Water Striders, חרקים קטנים), נעים במהירות על פני המים.
בעבר כבר דווח כי צוות מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT) פיתח רובוט המחקה את הולכי המים הזעירים בטבע. הפעם, הידע אודות רצי המים, נרתם לטובת האומנות הקולינארית.

מתח פנים הוא כוח מתיחה ליחידת אורך, שפועל בממשק בין משטחי נוזלים או בין משטחי נוזל-גז, כמו למשל בממשק בין אוויר לנוזל. מתח פנים הוא גורם חשוב בחייהם של יצורים קטנים כמו חרקים, ובזכותו חרקים מסוימים מסוגלים לנוע על המים.  כאשר גודל המערכת עליה פועל מתח הפנים קטן יחסית לגודל הקפילריות (כוחות המשיכה בין מולקולות החומר והמים), השפעת מתח הפנים גוברת על השפעת הגרביטציה והחרק אינו שוקע במים. חרקים שונים מפרישים לעיתים חומרים שומניים פעילים (surface-active agent), שעשויים להוריד את מתח הפנים המקומי, ובכך מייצרים גרדיאנט של מתח פנים המייצר תנועה. כאשר נוצר גרדיאנט של מתח פנים לאורך משטח, נוצרים זרמי מרנגוני  (flows  Marangoni) הגורמים לתנועה של מסה לאורך המשטח.

                                                  תמונה: רצי מים 

ספינת הקוקטייל מתבססת על עקרון דומה. הספינה ממולאת באלכוהול, שנשפך לתוך נתיב התנועה דרך פתח מוצא בירכתי הספינה. האלכוהול פועל להפחתה מקומית של מתח הפנים בין המים לאוויר, בדומה לאותם חומרים שומניים פעילים המופרשים בטבע, מייצר גרדיאנט של מתח פנים, ויוצר כוח מרנגוני המניע את הספינה עד שנגמר האלכוהול.
אב טיפוס של הספינה יוצר במדפסת תלת ממד . נבחנו מספר דגמים של סירות בעלות צורות וגדלים שונים, שהובילו לטווח מהירויות, יציבות, ומשכי תנועה שונים. ביצועי הספינה היו רגישים במיוחד לגודל החריץ ששחרר את האלכוהול ולריכוז האלכוהול. המשט הארוך ביותר ארך שתי דקות. הספינה הודפסה מחומרים אכילים שונים כמו: ג'לטין, ודברי מתיקה שונים. 

לאחר שנמצא המודל האופטימאלי לספינת הקוקטייל, עובד צוות הפיתוח על מראה הספינה ועל עיצובה על מנת שנוכל ליהנות גם ממראה העיניים  בטרם נפעיל את שאר החושים.  בתיאבון ולחיים !

 

מכונית העתיד תתקן את עצמה

מאת: מאיה גבעון

פולימר ייחודי בעל יכולת תיקון עצמי המיועד לציפוי סוללות ליתיום ברכבים חשמליים, עשוי להאריך את חיי הסוללה.

בישראל כלי הרכב החשמליים נתקלו בקשיים, בעולם הרחב המכונית החשמלית הולכת ומתבססת בהדרגה כחלופה נקיה ונוחה למכונית הרגילה, המונעת בדלק לסוגיו. אחד היתרונות הבולטים של המכונית החשמלית היא הפשטות היחסית של מערכת ההנעה, וכתוצאה מכך – תחזוקה פשוטה לעומת חברותיה המזהמות יותר. קפיצת דרך משמעותית תתאפשר כאשר הסוללה החשמלית תוכל גם, בחיקוי הטבע, לסייע לתקן ולתחזק את עצמה – כפי ששואפים להשיג חוקרים בצוות מחקר מאוניברסיטת סטנפורד.

הצוות חקר פולימרים שונים, במטרה לפתח חומר עמיד וגמיש שישמש כחיפוי לאמצעים אלקטרונים בענפי הרובוטיקה והפרוטיזות. בפולימר שפיתחו יצרו יכולת ייחודית ל"תיקון עצמי" דווקא על ידי החלשת חלק מהקשרים בין המולקולות המרכיבות אותו. החלשת הקשרים יצרה חומר גמיש המתפרק בקלות יחסית, בעוד שקצוות המולקולה נמשכים זה לזה (על ידי מטען חשמלי מנוגד) ומשלימים את השברים הנוצרים במהירות.

תכונה זו הפכה את הפולימר למתאים במיוחד לציפוי סוללות ליתיום לרכבים חשמליים. כיום, סיליקון הוא החומר הנפוץ לציפוי סוללות מסוג זה, בשל יכולתו לאגור יונים ולשחררם. עם זאת, הסיליקון מתרחב ומתכווץ בזמן שהסוללה נטענת ופורקת את מטען היונים – עובדה שמובילה עם הזמן לשחיקת הציפוי ולהופעת בקעים.
                                                 טעינת רכב חשמלי.
               תמונה מאת OregonDepartment of Transportation    cc
 
ניסוי של הפולימר החדש במעבדה הראה שהוא מאחה בעצמו את הבקעים הנוצרים בו בתוך שעות אחדות, מבלי לאבד את יכולתו כציפוי המסייע לפעילות הסוללה גם לאחר מאה מחזורי טעינה ופריקה. עם זאת, עמידותו של הסיליקון עדיין גבוהה בהרבה. החוקרים הציבו יעד של עמידה ב-3,000 מחזורי טעינה ופריקה של סוללה ללא פגיעה בפולימר הציפוי. הצלחה במשימה תוביל להארכה משמעותית בחיי הסוללה, להפחתת הצורך בפעולות תחזוקה יקרות ושימוש בכימיקלים רבים, שחלקם אינם ידידותיים לאדם ולסביבה.

 

מנגנון מעבר אלקטרונים בחיידקים

מאת: אופיר מרום


חוקרים מ- DOE/Pacific Northwest National Laboratory הצליחו לדמות את הדרך שבה חיידקים מסוימים מעבירים זרם חשמלי דרך חוטים מולקולאריים זעירים, ובכך גילו מנגנון סודי שהטבע משתמש בו בשביל להזיז אלקטרונים. התוצאות הן מפתח להבנת האופן בו החיידקים גורמים לשינויים כימיים באדמה, ויסייעו לפיתוח של תאי דלק מיקרוביאליים, של סוללות, או להפיכת פסולת לחשמל.


חיידקים מסוימים נושמים באמצעות מתכות כמו שבעלי חיים משתמשים בחמצן. בתהליך הנשימה, חיידקים אלה "גונבים" אלקטרונים מאטומי פחמן ומעבירים אותם למתכות או למינרלים בקרקע. הם עושים זאת על ידי שימוש בחוטים מולקולריים הבנויים מחלבונים, המעבירים את האלקטרונים הפנימיים לחלקו החיצוני של התא שלהם. חוטים מולקולריים אלה אינם כמו חוטי חשמל רגילים בהם האלקטרונים זורמים באופן חלק. בחוטים אלה האלקטרונים חייבים לקפץ בין קבוצת HEME  אחת לשנייה. קבוצות הHEME- הן תרכובות כימיות הקשורות לחלבונים, תרכובות שיכולות לבצע פעולות חמצון וחיזור, כלומר קבלת ומסירת אלקטרונים. לא כל הקבוצות האלה בנויות באופן זהה. חלקן מחזיקות את האלקטרונים בחוזקה ואחרות נותנות לאלקטרונים לחמוק בקלות. בהתאם לאופן סידור קבוצות ה-HEME, נוצר מסלול למעבר האלקטרונים, שיכול להיות מסלול מכשולים, או כזה שאלקטרונים יקפצו על פניו בקלות.


בשנים האחרונות החל להצטבר יותר ויותר מידע על קבוצות HEME הקיימות בטבע. מצוידים בהבנה בסיסית על מבנה החלבון שמרכיב את החוט המולקולארי בחיידקים, החלו החוקרים לבנות סימולציה ממוחשבת של הקבוצות ה- HEME השונות לאורכו, במטרה לאפיין את הדרך שהאלקטרונים צריכים לעבור. מה שגילו הוא מנגנון שלא היה מוכר עד כה.

בתחילה, שירטט צוות החוקרים מודל עבור המיקום הממוצע של 10 קבוצות ה-HEME  לאורך החלבון. לאחר מכן נבחנה האינטראקציה בין כל 2 קבוצות HEME  סמוכות, כדי למפות את הכוח המניע למעבר של אלקטרון בכל צעד וצעד במסלול. החוקרים מצאו כי הכוח המניע למעבר האלקטרונים אינו אחיד לאורך המסלול המיועד. בין קבוצות מסוימות הכוח המניע גבוה והאלקטרונים יכולים להתקדם במהירות, ואילו במקומות אחרים הוא נמצא כנמוך מאוד, דבר שיכול לעקב את האלקטרונים בתנועתם. מתוך הסימולציה הממוחשבת נמצא שבאופן אבולוציוני התפתח החלבון, מרובה קבוצות ה-HEME, בסידור שבו הקבוצות שהמעבר ביניהן בעייתי נמצאות קרוב מאוד אחת לשנייה, כמעט "מתחבקות". לעומת זאת, כאשר הכוח המניע למעבר גבוה הקבוצות מרוחקות יותר אחת מהשנייה, רק "לוחצות ידיים". בזכות הסידור הזה, יוצר החלבון מנגנון פיצוי ובכך מבטיח זרימה חלקה יחסית של מטענים לכל אורכו.
במאמר שהתפרסם לאחרונה מדווחים החוקרים שזאת הפעם הראשונה שנמצא בטבע עיקרון עיצוב אבולוציוני כזה להעברת אלקטרונים. התוצאות שהתקבלו מעלות שאלות מחקר חדשות כגון: מדוע מלכתחילה יש אזורים בעיתיים למעבר מטענים, ואיך סידור זה גורם לתפקוד יעיל של חלבון מרובה קבוצות HEME? במציאות של ימינו, מציאת מקורות אנרגיה מתחדשים הופך להיות עניין קיומי. בטבע, בו המושג פסולת אינו קיים, חיידקים ממלאים תפקיד חשוב. מחקרים כמו זה, התורמים להבנת האופן בו חיידקים מייצרים אנרגיה מפירוק של פסולת, יוכלו לאפשר ייצור אנרגיה בדרכים חדשות, ממקורות שלא היו אפשריים עד היום ובאופן הרמוני יותר עם הסביבה.
מקור הידיעה