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 2015

קוראים יקרים שלום,
החודש הושק לראשונה הקורס "חדשנות בהשראת הטבע" בסין. הקורס פותח בשיתוף ארגון הביומימיקרי הישראלי וחברת Flow Tech Innovation  והותאם במיוחד לקהל בסין. הקורס הועבר באוניברסיטת ECUST שבשנחאי למנהלים ומהנדסים בכירים מתעשיות שונות בסין וכלל תרגול נרחב של מתודולוגיות תכנון ביומימטיות וסיור בגן החיות של שנחאי .

בחודש נובמבר 2015, יתקיים הכנס השני לביומימיקרי- אקדמיה ותעשייה. הכנס יתקיים באוניברסיטת תל אביב, בשיתוף לשכת המהנדסים והמעבדה לביומימיקרי, באוניברסיטת תל אביב, ביה"ס ללימודי הסביבה ע"ש פורטר. להלן הקול הקורא להרצאות לכנס.
בתי ספר יסודיים (כיתות ד-ו) המעוניינים לקבל מידע אודות התכנית השנתית לביומימקרי לשנת הלימודים הבאה, מוזמנים לפנות למייל: info@biomimicry.org.il

החודש בחרנו להרחיב על פיתוחים בהשראת פרפר כנף הזכוכית  המתהדר בכנפיים שרוב שטח פניהן שקוף, יכולות ראייה בתחום האולטרה סגול (UV) בטבע, המעוף השקט של התנשמות ויכולות הניווט של העטלפים.
בברכת קריאה מהנה,
צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי

ללמוד מהפרפרים על שקיפות מלאה

מאת: ד"ר אמיר בקר

מי מאתנו לא מוצא את עצמו נלחם בהחזרי אור ו/או בהשתקפות המפריעות לצפייה במסך המחשב או במסך הטלפון? פתרונות טכנולוגיים, כמו ציפויים מונעי השתקפות, מעמעמים בדרך כלל את בהירות המסך ומגבילים את זווית הצפייה. 

פרפר כנף הזכוכית (Glasswing butterfly, Greta oto), מתהדר בכנפיים שרוב שטח פניהן שקוף, ועם זאת – הן כמעט שאינן מחזירות אור. החזר האור מהכנפיים הוא בין 2% ל- 5%, בהתאם לזווית הצפייה. לשם השוואה, משטח זכוכית שקוף מחזיר בין 8% ל- 100% מהאור הנופל עליו. ההחזר הנמוך מסייע, כמובן, לפרפר להעלם מעיני טורפים, ובהקשר זה מעניין לציין שגם קרינה מעבר לתדרי האור הנראה, בתחומי האולטרה-סגול והאינפרה אדום, אינה מוחזרת מכנפי הפרפר.  
תמונה 1 מתוך המאמר ב Nature
חוקרים במכון הטכנולוגי קרלסרוהה בגרמניה (KIT - Karlsruhe Institute of Technology), ניסו להתחקות אחרי המנגנון שמאפשר שקיפות כזו, ללא החזרי אור. תוצאות מחקרם, שהתפרסמו בחודש אפריל 2015, מגלות כי הסוד נעוץ במבנים זעירים על כנפי הפרפר, ויותר מכך, באי-סדירותם של מבנים אלה. במיקרוסקופ אלקטרוני סורק התגלו גדילים זעירים, באורכים משתנים (400 – 600 ננומטר) ובצפיפות משתנה (מרחקים של 100 – 140 ננומטר זה מזה). להמחשת הגודל נציין כי העובי הממוצע של שערת אדם הוא 100,000 ננומטר. 
תוך שימוש במודל סימולטיבי, הוכיחו החוקרים כי הסיבה העיקרית להחזרים המאוד נמוכים בטווח רחב של זוויות צפייה הוא אי-הסדירות בגובהם ובפיזורם של המבנים הזעירים על הכנף. כמו במקרה של מסך מירסול של חברת קוואלקום בהשראת פרפר המורפו, המחקר ותוצאותיו פותחים פתח מעשי לשורה של יישומים טכנולוגיים, הנוגעים למסכים בעלי החזר אור נמוך, וקריאוּת גבוהה. ניסויי היתכנות ראשוניים אף רמזו על רווח צדדי בלתי צפוי: הסתבר כי שכבה של מבנים בלתי-סדירים המחקה את כנפי הפרפר, מציגה גם תכונות של דחיית מים ולכלוך. נראה, אם כן, שבזכות פרפר כנף הזכוכית נזכה בעתיד הקרוב ליהנות ממסך טלפון שיהיה לא רק בהיר וקריא יותר מהקיים, אלא גם נקי ויבש ממנו.
מקור הידיעה:  Nature, Karlsruhe Institute of Technology

מאייל הצפון לעין ביונית

מאת: שמעון בוגן

חוקרים במחלקה לביולוגיה באוניברסיטת טרומסו שבנורבגיה, גילו במפתיע שאייל הצפון (reindeer), להבדיל מיונקים אחרים, יכול לראות בתחום ה אולטרה סגול (UV). יתרה מזאת, הישרדותו תלויה ביכולת זו לצורך הימנעות ממפגשים עם טורפים לבנים כשלג כמו זאבי שלג ודובי קוטב, וגם להשגת צמחי המאכל האהובים עליו במיוחד (חזזיות) החבויות על סלעים מתחת לשלג, ולהימנעות ממאבקים על טריטוריה.

התמונה באדיבות Lomvi
מאז תחילת הנדידה של האיילים לאזורי הקוטב, לפני כ – 10,000 שנה, ובזכות האבולוציה, שגשגו אותם בני המין שעיניהם הסתגלו לראיית אור אולטרה סגול מבלי שיגרם נזק לרשתית העין שלהם. השלג מחזיר לפחות 90% מאור השמש, כולל קרינת UV מזיקה, ורק קרינת ה UV לבדה נבלעת בפרוות ההסוואה הלבנה של טורפים, בצמחים שבשלג ובכתמי שתן של איילים מתחרים. את הבלתי נראה לעין האדם רואים האיילים כעצמים כהים מוגדרים היטב, על רקע השלג הלבן הבוהק (קישור).

ד"ר גלן ג'פרי חוקר את מבנה העין והפיסיולוגיה של הראייה אצל אייל הצפון. המטרה הביומימטית היא לגלות את המנגנון שמגן על הרשתית ועל קולטני האור העצביים שבתוכה מנזק בלתי הפיך בהשפעת קרינה אולטרה סגולה ולשכפל אותו, ובמידת האפשר לנסות לשקם ראייה שנפגעה מקרינה כזו (קישור).
קבוצת חוקרים ומהנדסים באוניברסיטת מישיגן חברה למיזם, ששואף להעשיר בני אדם רגילים ביכולת ביונית של ראיית-על בכל תחום הספקטרום האופטי, מהאולטרה סגול עד לאינפרה אדום. הפיתוח מבוסס על התקן ננוטכנולוגי דו-שכבתי של גראפן בעל רגישות שיא לקרינה בכל אורכי הגל של צבעי הקשת, ללא אמצעי עזר וללא מערכות תומכות (קישור).
השימושים העיקריים הקיימים כיום בראיית אור אולטרה סגול מוחזר, הם בצילום לצרכים רפואיים לגילוי מוקדם של סרטן עור,  בצילום אווירי לאבחון שימושי קרקע לחקלאות, בצילום עילי לזיהוי מבנים באתרים ארכיאולוגיים, בחקר יצירות אומנות, בשחזור אומנותי ובזיהוי פלילי. שימושים נוספים נמצאים בשלבי פיתוח. 

ההישג המדעי כבר היכה גלים בקהילות המדענים, הטכנולוגים והעתידנים. הנועזים שביניהם כבר רואים בחזונם מצלמות  של טלפונים סלולריים עם עדשות רב ספקטרליות, ובני אדם עם עדשות מגע לעיניים לראייה חדשה ולא שגרתית של העולם (קישור). ראייה המיוחסת לצייר הנודע קלוד מונה, שנחשב בסוף ימיו לבעל ראיית-על של אור UV בעין אחת, לאחר שעבר ניתוח להסרת עדשה בעין שמאל עקב קטרקט חמור. אכן, בלוח הצבעים המאוחר שלו תפשו הגוונים הכחולים הבוהקים את מקום האדום, החום והכתום.

סיבוב שקט

 מאת: יעל הלפמן כהן

חקר מעופן השקט של התנשמות (סדרת הינשופיים) הוביל לפיתוח ציפוי חדשני ללהבים של טורבינות רוח, המפחית באופן משמעותי את הרעש שהן מייצרות.

תנשמות ידועות במעופן השקט, ואף שימשו בעבר מקור השראה וידע לפתרון בעיית הרעש ברכבת היפנית. לאחרונה פורסם מחקר חדש, שעוסק ביישומים אפשריים של מנגנון הפחתת הרעש בטורבינות רוח ובמטוסים.

חוקרים באוניברסיטת קיימברידג', בשיתוף עמיתים ממספר מוסדות בארה"ב, הציגו החודש , בוועידה השנתית של המכון האמריקאי לאווירונאוטיקה ואסטרונאוטיקה  בארה"ב,
American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA), משטח ביומימטי מפחית רעש, בעקבות מחקר על מעופן השקט של תנשמות.
 
תנשמות רבות, בעיקר הגדולות שבהן, מצליחות לעוף בשקט במהלך הציד. התופעה הזאת ידועה כבר שנים רבות, אבל מה שלא היה ידוע זה איך הן עושות את זה. כבר דיווחנו על קבוצת המחקר מקיימברידג', שחקרה בשנים האחרונות את מעופן השקט של התנשמות. מחקר זה הבשיל לאחרונה לפיתוח אב-טיפוס של ציפוי ללהבים של טורבינות רוח, שיכול להפחית את הרעש שלהן באופן משמעותי.

לתנשמת שלושה מבנים ידועים התורמים לתעופה שקטה: (1) מסרק של נוצות קשות לאורך קצה הכנף, (2) חומר פלומתי מעל הכנף, ו (3) שוליים (פרנז'ים) גמישים בצד הכנף. באמצעות מיקרוסקופיה ברזולוציה גבוהה הצליחו החוקרים לבחון את מבנה הנוצות של התנשמת ברמת דיוק גבוהה. הם הבחינו שעל נוצות התעופה יש כיסוי פלומתי, שמזכיר מאוד מראה של צמרת יער מלמעלה. בנוסף ל"צמרת" הקלה, בקצה המוביל של כנף התנשמת יש גם מסרק גמיש הבנוי מזיפים בעלי מרווחים שווים, ושוליים גמישים ומנוקבים בקצה הנגרר.  נראה שאין לאף ציפור אחרת מבנה כנף כה מתוחכם. מרבית הרעש הנוצר בכנף, מקורו בקצה הנגרר, בו האוויר מתערבל בעוברו על פני הכנף. המבנה הייחודי של כנף התנשמת מאפשר לאוויר לעבור בצורה חלקה ומפזר את הקול שנוצר כך שהטרף לא יוכל לשמוע את התנשמת. 

החוקרים פיתחו ציפוי שיוכל לפצל את הקול הנוצר על להב הטורבינה באופן דומה. אב-הטיפוס של הציפוי הודפס מפלסטיק בהדפסה תלת ממדית, ושימש לציפוי להב של טורבינה בגודל מלא. הלהב המצופה הוכנס למנהרת רוח והודגמה הפחתה של הרעש ב- 10 דציבלים (משמעותי), מבלי להשפיע על התכונות האווירודינאמיות של הלהב. כתוצאה מכך, אפשר יהיה להגביל פחות את מהירות הסיבוב של הטורבינות, הן יוכלו להסתובב מהר יותר ולייצר יותר אנרגיה, בפחות רעש. לחוות טורבינות רוח בגודל ממוצע, מדובר בעלייה משמעותית בתפוקת החשמל.
 
נראה כי ציפוי זה, המחקה את המבנה המתוחכם של נוצות התנשמת, אכן יכול להפחית באופן משמעותי את הרעש שנוצר מפעולת להבים המצויים בטורבינות, במאווררי מחשבים ואפילו במטוסים. השלבים הבאים של המחקר יעסקו באופטימיזציה של הציפוי, בבחינתו על טורבינה בשדה (ולא במעבדה), ובהתאמתו ליישומים נוספים.  
מקור הידיעה

ניווט בהשראת עטלפים

מאת: דפנה חיים-לנגפורד

משימות יום יומיות כמציאת מזון, הימנעות ממכשולים והגעה אל הקרובים לנו יכולות להפוך לאתגרים ענקיים אם ננסה לבצען בחושך. מספר מיני עטלפים לעומת זאת, מבצעים מטלות אלה ואף מורכבות מהן כדרך שבשגרה, על אף העובדה שהם מבצעים אותם לפעמים בחושך מוחלט.

עטלפים מסוגלים לנווט את דרכם באמצעות טכניקה שנקראת אקולוקציה, התמצאות באמצעות קול, גם במיני עטלפים שיכולים להגיע למהירות של 40 קמ"ש. אקולוקציה הוא למעשה סונר ביולוגי: בעל החיים משדר אותות קוליים בקצב של 20-200 אותות בשנייה, ובאמצעות חישוב זמן החזר הקול מעצמים שונים, מסוגל בעל החיים ליצור לעצמו תמונה מרחבית של הסביבה.
Underwood Ben מקליפורניה, הוא האדם היחיד המוכר שמסוגל גם הוא, באופן יוצא דופן, למצוא את דרכו באמצעות אקולוקציה: לרכב על אופניים, לשחק כדורסל ולבצע מגוון פעילויות מורכבות נוספות כפי שניתן לראות בסרט הבא:

עד שמדענים יפצחו את הדרך ללמד כבדי ראיה אחרים להתמצא באמצעות אקולוקציה, פותח בבריטניה, בהשראת המנגנון שנחקר בעטלפים, מקל נחיה לעיוורים מבוסס על אותות קוליים. בשנת 2002 החל מחקר רב מרכזי עם דגם של מקל נחייה לעיוורים מבוסס אקולוקציה. המקל פותח על ידי חברה בריטית ונוסה על ידי עיוורים וכבדי ראיה באנגליה, אוסטרליה, ארה"ב ועוד.
המקל משדר אותות קוליים, מחשב את זמן החזר האות, ובאמצעות כפתורי רטט על הידית מתריע מפני מכשולים הנמצאים כ 2-4 מטר בכיוון התנועה ובגובה של 1.6 מטר, על מנת להתריע מפני עצמים המצויים בגובה הראש.  
בשנת 2012 השיקה החברה המפתחת, Sound Foresight Technology Ltd, את המוצר הראשון שלה, ה- UltraCane ומיד לאחר מכן, החברה פיתחה והשיקה את ה- UltraBike. ה- UltraBike הוא תושבת, המולבשת על כידון האופניים ומתריעה מפני מכשולים הנמצאים כ -8 מטר עם כיוון הנסיעה וכ- 5 מעלות לכל צד. בשלב זה, התושבת לא מאפשרת רכיבה עצמאית לגמרי של כבד הראיה, אלא רק כחלק מקבוצת רכיבה של רואים ועיוורים יחד.