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 יוני 2014


קוראים יקרים שלום,
ים ועפיפונים מסמלים אולי יותר מכל את חופשת הקיץ שבפתח. לקראת חופשה זו מצורפת כתבה מעניינת על הקשר בין עפיפונים לדיות ועל מפרש עפיפוני בעל מבנה של כנף דיה המשמש כגורר ומשיט של ספינות גדולות.
פרפר המורפו עליו כתבנו רבות לא מפסיק לייצר חדשנות. החודש נדווח על חברה קנדית הנלחמת בזייפנים באמצעות מבנה כנף הפרפר. נבחן גם בזכות מה לא קופאים הדגים בקטבים - ומה אנחנו יכולים ללמוד מזה?
ולסיום, נרחיב גם על הרגע בו מוצת תהליך הפיתוח הביומימיטי, רגע ה"איאוריקה הביומימטית" בו הפליאה מהפתרון הטבעי וזיהוי הפוטנציאל שלו לחדש מתחילים להניע את גלגלי החדשנות הביומימטית.  

אנו שמחים לבשר על השקתו של מוצר ביומימטי כחול לבן של חברת אמורפיקל - הסידן האמורפי המחקה את מבנה הסידן המצוי בסרטני מים מתוקים והוכח כבעל זמינות ביולוגית גבוהה יותר לגוף האדם.
בברכת קריאה מהנה וחופשת קיץ בטוחה,

צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי

אנייה, אנייה, עם כנף כשל יונה*


* שיר ילדים, תרזה גוטליב גויטיין, ירושלים 1933 

מאת: שמעון בוגן

רוח ודיות, עפיפונים ואניות קשורים כיום יותר מאי פעם. כשהיינו ילדים הכנו עפיפונים, שלחנו אותם עם הרוח לשמיים, שזרנו בחוט המקשר חלומות על מרחקים ומרחבים ושרנו "... ונהיה כציפורים". אבל יונים הרי לא דואות עם הרוח למרחקים, והחיבור המחורז המתבקש היה צריך להיות ל"כנף כשל דיה", אלא שדיות היו זרות לילדי הגנים בירושלים. דיות נראו רק בכרמל ובגליל.
את האטימולוגיה של שם הציפור למדנו מרש"י עפ"י התורה והגמרא - "היא ראה, היא איה, היא דאה, היא דיה". חכמי ישראל בתקופת המשנה השכילו להתבונן בטבע, להתחבר בחשיבה ובמעשה לתופעות בקרקע, במים ובשמיים, בחי, בצומח ובדומם, ובין היתר להנחיל לנו את הקשר של הדיה לדאייה. חיפוש תמונות של דיה / Milvus ברשת ישיב לכם צילומים מרהיבים של תצורת הכנפיים בדאייה.
על נוכחותה של הדיה בתחומי ארץ ישראל בתקופות קדומות מאד אנו למדים מהטענה ששרידים מאובנים של דיה מתקופת הפליסטוקן נמצאו באתר פרהיסטורי, הקדום ביותר במזרח התיכון, ליד בית זרע שבעמק הירדן. *
ההמשך נובע מהשילוב המילוני של דיה ועפיפון:  דיה בעברית נקראת KITE באנגלית.  KITE באנגלית נקרא עפיפון בעברית.


דיה שחורה. תמונה מאת: ,Thomas Kraft תחת רישיון cc 2.5

גם הסינים הקדמונים התבוננו בעיקר בעופות דורסים, הדואים ומרחפים עם הרוח בשחרם לטרף ובנדידתם. הסינים היו הראשונים שלמדו לחקות את הציפורים הדואות ומרחפות עם הרוח. הם בנו עפיפונים החל מהמאה ה-8 לפנה"ס שלא למטרות משחק, שעשוע או ספורט, אלא לשימוש באנרגיית הרוח לצרכים צבאיים של תצפית ותקשורת עבור צבאות הקיסרים. העפיפונים הגדולים מאד נשאו בהצלחה אדם לוחם למשך שעות רבות.  כדאי לראות בקישור (1).
מאז, הסינים מצטיינים בבנייה ובהצגה של עפיפונים טקסיים, ולא שוכחים לתת כבוד למקור ההשראה. כדאי לראות בקישור (2). 
הרוח נכללת בין מקורות האנרגיה המתחדשים. פוטנציאל ניצול האנרגיה ברוחות  ברום של 1,000 מטר מעל  פני הים ובמהירויות קבועות של 100 קמ"ש גדול פי 16, ב 1500%, מפוטנציאל ניצול האנרגיה של טורבינות רוח גדולות, שמתנשאות עד לגובה של כ 150 מטר, גובה שבו מהירות הרוח הקבועה נעה בסביבות 40 קמ"ש בלבד. מזה זמן שמדענים ומהנדסים מחפשים ומפתחים אמצעים להפקת אנרגיה חלופית מהרוחות המהירות והחזקות הנושבות ברום גבוה ( high altitude wind energy, HAWE). כדאי לראות בקישור (3).
מפרש עפיפוני, ששטחו של בין 3 ל 5 דונם ובעל מבנה מעוגל כשל כנף דיה בדאייה, גורר ומשיט ספינות בגודל 50,000 טון ויותר, תורם להגנת הסביבה ומייצר הפחתה בתצרוכת של אנרגיה אזילה (מתכלה) בשיעור שבין 30% ל 300%.
 התיאור המשובח להלן ניתן ע"י חברת  SkySail גרמניה:
  


  צילומים של אניות סוחר, מיכליות, ספינות וכיו"ב, המונעות ע"י מפרש-עפיפוני, כדאי לראות בקישורים (4), (5) ו (6).
לכן אמרו מעכשיו  אנייה, אנייה, עם כנף כשל דיה.

מקורות:

 
http://www.skysails.info/english/   אירופה (5)

ממנגנון טבעי של כנף הפרפר – למלחמה בזיופים

מאת: אופיר מרום

 חברה קנדית נלחמת בזייפנים באמצעות יישום של אחד המבנים המתוחכמים ביותר בטבע: כנף פרפר.
ביערות הטרופיים של אמריקה הלטינית אפשר לראות את פרפר המורפו הכחול (Blue Morpho), אחד מסוגי הפרפרים הגדולים בעולם, שהצבע בחלק העליון של כנפיו כחול עז וזוהר. המנגנון שיוצר את הצבע העז נקרא "צבעוניות מבנית". האור שפוגע בכנף הפרפר נשבר בגלל המבנה הייחודי שלה ומוחזר חזרה באורכי גל מסוימים. באופן כללי, הצבע שמתקבל תלוי במבנה המשטח ובזווית בה פגע האור. במקרה של פרפר המורפו הכנפיים מכוסות קשקשים עשויים מכיטין, שמסודרים בתבנית זיג-זג ייחודית. חוקרים מאוניברסיטת סיימון פרייזר שבקנדה מצאו דרך להקנות למשטחים רגילים את הצבעוניות של כנפי הפרפר. הטריק הוא שינוי מלאכותי של פני השטח שלהם, על ידי הטבעה מיוחדת,  שיוצרת מערכים של ננו חורים. גודל החורים בתבנית נע בין 50-300 ננומטרים בקוטר, במרווחים של 300-600 ננומטר זה מזה. על ידי שינוי הגאומטריה של מערך החורים אפשר לבחור את הצבעים שיתקבלו. תהליך ייצור התבניות מבוסס על טכנולוגיה מקובלת בתעשיית המיקרו-אלקטרוניקה. ראשית, מייצרים תבנית של החורים על גבי סיליקון או קוורץ באמצעות אלומת אלקטרונים, בדומה לאופן בו מייצרים שבבי מחשב. בשלב השני, באמצעות התבנית מייצרים חותמת עשויה ניקל, שהיא למעשה מערך של בליטות, ואותה ניתן להטביע על מגוון של חומרים. ייצור החותמת אורך מספר שעות - עד מספר ימים, אך לאחר שהחותמת מוכנה אפשר לשלבה בתהליכים של ייצור המוני.

הרישיון לטכנולוגיה הייחודית הזו נרכש ע"י חברה קנדית בשם " Nanotech Security Corp", המתמחה במסחור פתרונות ומוצרים בתחום האבטחה. החברה טוענת ששימוש בטכנולוגיה הזו מאפשר, לראשונה בעולם, להטמיע בחותמת אחת חמישה מנגנונים שונים של אבטחה, מהרמה הפשוטה של תמונה, שניתן לראותה בעין בלתי מזויינת, עד לקידוד מידע מוצפן, שניתן לקרוא אותו רק בעזרת מכשור מעבדתי מתקדם. בזכות העובדה שכדי לייצר את החותמות הללו דרושים אלגוריתמים מיוחדים וציוד יקר ומתוחכם, קשה עד בלתי אפשרי לחקות או לזייף אותן. החותמות האלה אידיאליות למנוע זיופים בשטרות כסף ובהמחאות בנקאיות, בעיה שהנזק שלה לכלכלה העולמית מוערך בכ-600 מיליארד דולר בשנה. כאמור, אפשר להטביע את החותמת הזו על גבי מגוון רחב של חומרים כגון: מתכות, פלסטיק וזכוכית, ולכן אפשר להשתמש בה כדי למנוע זיוף של מוצרי צריכה רבים. בתהליך החתמת המשטח לא נעשה שימוש בדיו או כל בחומר כימי אחר, ולכן אפשר ליצור תבנית ייחודית אפילו על גבי תרופות.
 
 
 

ללמוד מדגי הקוטב איך לשמר דם ורקמות לזמן ארוך

           מאת: שמעון בוגן

עירוי דם והשתלות איברים הן פרוצדורות רפואיות מצילות חיים. כולנו מודעים לחשיבות הקריטית של זמינות מידית ושל התאמה ביולוגית לשימוש בהן, בשעת הצורך. דמיינו לעצמכם בנק דם או בנק איברים שבהם ניתן להחזיק את הדם המלא ואת הרקמות במצב של קיפאון, ללא פעילות אנזימטית כמעט, ולכן לזמן ארוך יותר מהאפשרי כיום.

תמצית הבעיה:
טמפרטורת סביבה של ºC0 ומטה עלולה לגרום לקיפאון של המים בתאי הגוף. קרח תופס יותר נפח מאותה כמות של מים נוזלים. לכן, הסכנה הגדולה של קיפאון המים בתאים הוא קריעת קרום התאים ופיזור תוכנם בסביבה. בנוסף, במהלך ההפשרה המדורגת קיימת סכנה שבתחום טמפרטורות צר סביב נקודת הקיפאון יתרחש גיבוש מחדש של מחטי קרח מיקרוסקופיים, שינקבו את דפנות התאים. החומרים הביולוגיים החיוניים יאבדו בכך את ערכם ואת תועלתם.

הפתרון בטבע וגנטיקה אבולוציונית מסקרנת:
אצל אורגניזמים החיים במקומות שיש בהם סכנת קיפאון נמצאה התאמה אבולוציונית מיוחדת: בדמם יש חומר נוגד קיפאון, המונע היווצרות של גבישי קרח בדם ובתאים [1]. גילי חסקין, במאמרו "מבוא לטיול לאנטארקטיקה" [2], מתאר את הדגים מתת סדרת הקוטביים. הישרדותם במים הקפואים היא הצלחה ביוכימית אבולוציונית. ההנמכה המשמעותית של נקודת הקיפאון בדם ובגוף נגרמת ע"י שמונה סוגי מולקולות ביולוגיות של חומר נוגד קיפאון (antifreeze), חלבונים שהם גליקופפטידים, בעלי הרכב ומבנה ייחודיים.
חוקרים באקדמיה הלאומית האמריקאית למדעים [3] מתארים איך בשני קצות כדור הארץ המרוחקים ביותר זה מזה, התפתחו אצל שני זנים שונים לחלוטין של דגים אותם גנים לייצור אותם חלבונים, גליקופרוטאינים, לשם מניעת קיפאון בסביבה הימית העוינת, שבה הטמפרטורה יורדת מתחת ל ºC0 עקב המליחות הגבוהה של מי הים. מדובר בדג השיניים האנטארקטי בקצה הדרומי, ובדג הבקלה הארקטי בקצה הצפוני.
             דג הבקלה (Gadus) תמונה מאת Hans-Petter Fjeldcc 2.5

הטכנולוגיה הביומימטית:
קבוצה של חוקרים אנגלים בכימיה וברפואה פרסמה בפברואר 2014 [4] תוצאות של מחקר ביומימטי למציאת חומר כימי שמחקה את פעילות החלבונים נוגדי הקיפאון AF(G)Ps.
הדרישות והציפיות:
ü      המבנה הכימי והמבנה המרחבי של החומר מדמים את החלבונים הסוכריים.
ü      החומר מסיס במים.
ü      החומר יעיל מאד במניעת קיפאון, ריכוז פעיל נמוך ככל האפשר.
ü      החומר אינו רעיל, אין לו תופעות לוואי, והוא פריק ביולוגית בגוף תוך זמן קצר.
ü      החומר פשוט, זמין וזול.
 
תוצאות:
א. החומר הפולימרי PVA (פולי ויניל אלכוהול) הניב תוצאות מצוינות בהשגת כל המטרות שהוגדרו, בריכוז קטנטן של 0.1%. מדובר בריכוז קטן פי 100 (!) מזה של החומר המדלל, המשמש כיום בעיקר לשימור דם טבורי בהקפאה עמוקה.
הערה: PVA  - נפוץ בשימוש כדבק פלסטי ביתי וכמרכיב יום יומי בתכשירי איפור וטיפוח העור.
ב. ה PVA מאפשר שימור קריוגני (הקפאה בקרח יבש) והחזרה של הדם והרקמות לכשירות מלאה.
ג. אין צורך להפריד את חומר ההגנה לפני מתן הדם.
מכאן ואילך נדרשת הוכחה של חזרה לפעילות ביולוגית מלאה והשגת אישורים לניסויים קליניים ואחרים, כמקובל.
 
            מקורות: (לחץ על הקישורים)

[1] על פי נ. רייבשטיין, המרכז הארצי למורי ביולוגיה, נושאי הליבה – אקולוגיה).



 

אאורקה – רגע ההשראה מהטבע

מאת: יעל הלפמן כהן

אם ארכימדס היה מתכנן ביומימטי, קרוב לוודאי שהיה צועק את צעקתו המפורסמת בעודו שוהה בטבע, אולי רוחץ באגם. גם תהליך הפיתוח הביומימטי מתחיל ברגע אחד של אבחנה שתופסת את עינינו.  בידיעה זו ננסה לעמוד על רגע זה ולאפיין מתי הוא מתרחש.

אם נסקור סיפורי המצאה ביומימטיים נגלה שהם התחילו ברגע אחד בו הבחין המפתח בתופעה טבעית, שגרמה לו פליאה וסקרנות. תופעה המנוגדת לציפיות שלנו מהעולם סביבנו , להנחות העבודה שלנו, ולדרך בה הורגלנו לחשוב. רגע הפליאה, רגע ה- WOW , הוא הרגע בו מתחיל להיבנות הגשר בין הביולוגיה לטכנולוגיה. הגשר להעברת הפתרון ממרחב הידע הביולוגי להנדסי.

כך למשל, יוסי בן, היזם של חברת אמורפיקל הבחין שהסרטנים שהוא גידל בנו שלד חדש תוך ארבעה ימים בלבד. תופעה תמוהה לאור העובדה שאין סידן בשפע בבית גידולם. כיצד, אם כן, נבנה השלד כה מהר?

אפקט הלוטוס התגלה לאחר שמדענים הבחינו שצמח הלוטוס תמיד נשאר נקי למרות שהוא גדל בסביבה בוצית. לאן ואיך נעלם הבוץ?

פיתוח החוט הכירורגי של חברת AngioSeal החל לאחר שהמתכנן נדקר מקוץ של דרבן והבחין שהוצאת הקוץ כאבה הרבה יותר מכניסתו. מדוע?

אנו נוטים להניח שגוף גדל ממדים אינו יכול לנוע ביעילות במים.  כיצד אם כן מצליח הלוויתן הגבנוני לרדוף אחרי טרפו ביעילות ובזריזות במים למרות ממדיו? התשובה יושמה בטורבינה הביומימטית של חברת whalepower.

אאוריקה ביומימטית אחרת מתרחשת ברגע בו מבחין המתכנן בפתרון אנלוגי בטבע לאתגר שמעסיק אותו. כך, למשל, מהנדס הרכבת ביפן שהיה חובב ציפורים צפה בשלדג הצולל לתוך המים. הוא הבחין שכניסת השלדג לתוך המים חלקה ואינה כרוכה ביצירת גל רעש, למרות שהשלדג עובר מתווך אחד לאחר, בדומה למעבר הרכבת מהמנהרה לאוויר הפתוח. תובנה זו הובילה לחקר השלדג ולתכנון מחדש של קטר הרכבת על בסיס מקור השלדג.

האאוריקה הביומימטית מצריכה התבוננות דרך "משקפיים" ביומימטיות, "משקפיים" המבחינות בשונה מהמוכר והידוע. "משקפיים" כאלה מציתות את הפליאה והסקרנות המדעית המניעות תהליכי מחקר ופיתוח. ה"משקפיים" האלה מסייעות להשתחרר מקיבעונות תכנוניים ולזהות את הפתרונות החדשניים במאגר הפתרונות של הטבע.

אז בפעם הבאה שאתם שוהים בטבע, נסו להרכיב "משקפיים" ביומימטיות . אאוריקה !