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.

דצמבר 2010


אי אפשר לפתוח את גליון דצמבר ללא התייחסות לאסון האקולוגי שפקד את הכרמל בחג החנוכה.

את גליון נובמבר פתחנו באיזכור ועידת האו"ם למגוון המינים ובהתייחסותנו לטבע כמורה, מודל ומדד. עוד כתבנו כי "מין שנכחד הוא מורה שאבד". כשכתבנו את השורות הללו בסיומו של חודש נובמבר החם והיבש לא שיערנו כמה מורים נאבד שבוע לאחר מכן.

הכרמל מהווה מקור משיכה למטיילים שרוצים להכיר את הטבע הישראלי, אך הוא לא רק מקום למנגל של אחרי או לפני הטיול. הכרמל מהווה בית גידול למינים מיוחדים וייחודיים. מינים שחלקם בסכנת הכחדה ממשית ומי יודע אם שרדו את ימי השריפה .מינים המהווים מקור להשראה לפיתוחים טכנולוגיים.

אורגניזם החודש ביולי היה האצטרובל אשר מנגנון הפתיחה שלו מושפע מרמת הלחות. מנגנון זה המאפשר הפצת זרעים בעונה המתאימה ומקנה לאיצטרובל כושר השרדות במקרה שריפה. האיצטרובל להזכירכם, נתן השראה לפיתוח בדים חכמים.
החודש, בחרנו באלון  על מעלותיו הרבות בתחום ייצוב הקרקע, שימור מים וגם עמידות לשריפות כאורגניזם החודש.

תזכורת - בינואר תתקיים הרצאה וסדנא בנושא ביומימיקרי בוועידה הישראלית השלישית לבנייה ירוקה בישראל. לפרטים והרשמה לוועידה ולסדנא ניתן לפנות בדוא"ל .


קוראים המעוניינים לקבל מידע שוטף מוזמנים להצטרף לדף הפייסבוק של ארגון הביומימיקרי ולקרוא ידיעות נוספות על הפיתוחים האחרונים בהשראת הטבע ועל פעילות הארגון.

בברכת קריאה מהנה,

צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי

לך אל הנמלה עצל – למד דרכיה ונהג....


בעקבות האסון הנורא שהתרחש בהוואי ומצוקת השינוע שנגרמה מרעידת האדמה, המעצב בריין לי (Bryan Lee), כחלק מעבודת גמר, עיצב מכונית ייעודית להתמודדות באזורי אסון. מקור ההשראה והחיקוי למכונית הוא לא אחר מאשר תנועת נמלים.

באסונות טבע כרעידות אדמה, התפרצויות געשיות או שריפות, אחד הגורמים הקריטיים להצלת חיי אדם היא מהירות התגובה ומהירות ההגעה לאזור הפגוע. בהרבה מהמקרים, בעקבות האסון, נחסמים נתיבי תנועה ויש צורך בכלי תחבורה בעלי עבירות גבוהה.
מחקרו של לי החל בראיונות עם חיילים מכוחות חילוץ לגבי צרכי השינוע ותנאי העבודה באזורים מוכי אסון, אך סרט דוקומנטרי על תנועת נמלים שנתקל בו במקרה, נתן בסופו של דבר את ההשראה לעיצוב רכב השטח לאיזורי אסון. לאחר צפיה בנמלים, זה נראה כפתרון ההגיוני ביותר. נמלים מעבירות אספקה מנקודה אחת לשניה במשקל העולה בהרבה על משקל גופן ובתנאי שטח שונים.


התמונה באדיבות Luke Elstad תחת רשיון GNU

ואכן, לי עיצב רכב שטח הנע על ששה גלגלים ומסוגל לשנע פי 10-15 ממשקלו. רכב השטח, A.N.T=Aid Necessities Transporter פועל כמשאית אספקה, שהופך ליחידת מגורים באמצעות הרחבת מבני הצד.

כל גלגל מחובר באופן ישיר ליחידת ההפעלה – מופעל ומופסק בנפרד משאר הגלגלים – מנגנון התורם ליכולת העבירות הגבוהה של כלי הרכב בתנאי שטח שונים ומשתנים המאפיינים איזורים מוכי אסון.

אומנם הפיתוח של לי עדיין בשלב הקונספט, אך התפתחות טכנולוגית תאפשר לפתחו הלכה למעשה בעתיד. לי זכה בפרס ויקטוריה לתחבורה אודות לעיצובו זה והוא עובד היום בחברת פורד האוסטרלית.
מקור הידיעה

להבי טורבינות בהשראת הלוויתן

מאת: יעל הלפמן כהן

להב חדשני לטורבינה תת ימית הממירה זרימת גאות ושפל לחשמל הוצג לאחרונה ע"י האקדמיה הימית האמריקאית. להב זו פותח בהשראת מבנה הסנפירים של הלוויתן הגבנוני.

הלוויתן הגבנוני (whale Humpback) משתייך למשפחת לוויתני הענק וידוע כיונק ימי גדול שאורכו יכול להגיע ל- 15 מטר ומשקלו ל- 27 טון. למרות גודלו, הלווייתן שוחה בקלילות במים. מסתבר שהבליטות על קצה סנפירו יוצרות נתיבי תנועה למים סביב הסנפיר ומונעות היווצרות מערבולות. עובדה מעניינת זו כבר שימשה מקור השראה ומודל לחיקוי לפיתוח של להבים לטורבינות רוח על-ידי חברת Whalepower האמריקאית. לאחרונה הציגה האקדמיה הימית האמריקאית United States Naval Academy)) פיתוח ביומימטי נוסף בהשראת סנפירים אלו: להב חדשני לטורבינה תת ימית הממירה זרימת גאות ושפל לחשמל.



במאמץ לפיתוח מקורות אנרגיה חליפיים פותחה גם טכנולוגיה המבוססת על טורבינות תת ימיות המנצלות את מחזור הגאות והשפל בו הים עולה ויורד במחזוריות קבועה. בעיה מרכזית בטכנולוגיה זו היא הקושי לייצר אנרגיה מזרמי גאות ושפל הנעים במהירות נמוכה.

האקדמיה הימית האמריקאית תכננה להב חדשני בעל פוטנציאל לשפר את ביצועי הטורבינה הימית על ידי הוספת בליטות לקצה המוביל של הלהב, בדומה לבליטות הנמצאות על סנפיר הלוויתן. להבים חדשים אלו יעילים יותר בהפקת אנרגיה מזרימת גאות ושפל במהירויות נמוכה. מאידך הלהבים לא פוגעים בביצועים של הפקת האנרגיה במהירויות הגבוהות ולא מוסיפים מורכבות מכאנית למערכת.

יישומים של מחקר זה יכולים לכלול פיתוח של טורבינות ימיות בעלות ביצועים טובים גם במהירויות נמוכות של זרימת גאות ושפל ועל כן בעלות כדאיות כלכלית גבוהה יותר.

מקור הידיעה

אפשר לחייך – שתל דנטל ביומימטי קיבל אישור FDA


החודש ההוגים והחוקרים בחברת Keystone Dental יכולים לחייך עם קבלת אישור FDA לשתל דנטלי ביומימטי ראשון מסוגו בעולם.

בשלושים השנים האחרונות, מטרת השתלות השיניים היתה לשחזר את הפונקציונליות של השן הטבעית. היום, באמצעות מערכת Genesis המורכבת ממשטח ננומטרי הנקרא BioSparkTM מתאפשרת פונקציונליות כבר מהיום הראשון. המבנה הנדון, נחקר במשך שנים על ידי החברה על מנת לחקות טוב יותר את נקודות הממשק בין השתל לבין הרקמה הטבעית. נקודות ממשק אלו, הן מקור אי הנוחות הגדולה המאפיינת השתלות דנטליות. מקור ההשראה לפיתוח זה היא העצם עצמה.

שכבת ה- BioSparkTM מחקה את מבנה העצם ועל כן האינטגרציה בין השתל לרקמה הטבעית הרמונית עם פחות תופעות לואי וכאבים. ה- BioSparkTM הינו משטח הידרופילי המשלב אלמנטים בתחום המקרו, מיקרו וננו. המשטח מועשר ביוני סידן וזרחן המזרזים פעילות מטאבולית ושגשוג אוסטאובלסטים (תאים יוצרי עצם) ולכן האינטגרציה בין העצמות לשתל מהירה יותר מאשר משטחים המשלבים רק אלמנטים בתחומי המיקרו והמקרו.


התמונות באדיבות חברת Keystone Dental 
המבנה המשולב מאפשר יציבות ראשונית גבוהה של השתל ברקמה על ידי הסיבים הגדולים, בעוד הסיבים הקטנים ממזערים את הלחצים על קליפת העצם.

היתרונות הייחודיים לשתל זה על פני מתחריו הוא כי ניתן להשיג פונקציונליות מיידית לאחר ההשתלה ומראה טבעי המאפשר למטופל לעזוב את המרפאה עם שן חלופית עוד ביום הניתוח.

מקור הידיעה

רובוט אתלט במרחק קפיצה

מאת: יעל הלפמן כהן

לאחרונה הוצג רובוט ביומימטי חדשני בועידה הבינלאומית לרובוטים דמויי אדם. רובוט אתלט זה מחקה את דרך ההילוך של הרגל האנושית ומדגים ביצועיים משופרים על פני רובוטים דמויי אדם אחרים.

רובוטיקה היא אחד התחומים בהם ניתן לראות פיתוחים ביומימטים רבים. לאחרונה הוצג רובוט ביומימטי חדשני בועידה הבינלאומית לרובוטים דמויי אדם. רובוט זה פותח באוניברסיטת טוקיו.

הרובוט החדשני מחקה את מבנה הרגל האנושית המורכבת מזוג שרירים. בניגוד לרובוטים דמויי אדם אחרים המניעים את המפרקים על-ידי מנועים, הרובוט האתלט משתמש במנוע אויר המחקה את פעולת ההתכווצות של השרירים האנושיים ומקנה לרגל טווח תנועה הדומה לטווח התנועה של רגל אנושית. בנוסף, רובוטים דמויי אדם אחרים מבוססים על שליטה ישירה בתנועה והם מחשבים את המנח המדויק לכל תנועה באמצעות תוכנה ללא התייחסות לפרמטרים מהסביבה. התוצאה היא חוסר יעילות יחסית לתנועה האנושית. לעומתם, הרובוט האתלט מבוסס על קלט מהסביבה. רגלי הרובוט האתלט מצוידות בחיישנים המזהים את המגע ברצפה.

בקישור מצורף סרטון של הרובוט האתלט המדגים קפיצה בשתי רגליים, ריצה ונפילה. הנפילה של הרובוט מוסברת על-ידי מהירות העיבוד של הקלט בחיישנים. הרובוט האתלט מסוגל להישאר במצב יציב של הליכה רק מספר צעדים ואז הקלט מהקרקע אובד והוא נופל.

הגרסה האחרונה מזכירה אף אדם אמיתי, אוסקר פוסטוריוס. אוסקר פוסטריוס הוא רץ קטוע איברים המשתמש באיברים מלאכותיים העשויים מסיבי פחמן. כניסתו למשחקים האולימפיים לא אושרה בגלל חשש שהאיברים המלאכותיים נותנים לו יתרון על פני אצנים אחרים.

רובוט ביומימטי חדש זה, המזכיר סרטי מדע בדיוני, מדגים שהעתיד בתחום הרובוטיקה נמצא במרחק קפיצה.

מקור הידיעה

אורגניזם החודש: עצי האלון

מאת: מאיה גבעון
בשריפה האיומה שכילתה אלפי דונמים של חורש ביערות הכרמל בתחילת החודש, אבדו אלפי יצורים חיים ונישות שהיוו בתי גידול שוקקים; הרבה מאוד "גאונים של הטבע" נעלמו באסון. אחד מהם, היה עץ האלון המצוי.

האלון (Quercus) הוא שם למשפחת עצים, אליו משתייכים עשרות רבות של מינים המצויים ברחבי העולם. בישראל מצויים מספר מינים מתוכם: האלון המצוי, אלון שסוע, אלון חרמוני, אלון התבור ואלון התולע. חלק ממיני האלונים משירי עלים וחלקם ירוקי -עד. חלקם מגיעים לגובה רב, וחלקם נדמים לשיחים. אך כל "חברי המשפחה" חולקים תכונות מסוימות שהקנו לאלון את תדמיתו כעץ חזק, עמיד ביותר ומבוקש לצרכי בנייה ופירותיו (הבלוטים) אף שימשו לצרכי מרפא בתקופות קדומות.

אלון. התמונה באדיבות Amanda44 תחת רשיון GNU
עצי האלון יוצרים אפקט המיטיב עם סביבתם: המבנה האופייני של מערכת השורשים שלהם מעגן אותם לקרקע בחזקה והופך אותם עמידים ביותר בפני רוחות. אותה תכונה הופכת אותם גם למייצבי קרקע מצטיינים, כאשר הבסיס הרחב של השורשים לוכד אדמה ברדיוס רחב סביב העץ ומונע סחף של חומרי הזנה אורגניים בעת גשמים חזקים. המבנה המסועף של צמרתם מעניק מקלט לבעלי חיים רבים, וכמובן יוצר צל ונוף נעים לעין. בנוסף, המינים הנשירים שבין האלונים, מאפשרים לקרקע לקלוט כמות גשמים רבה יחסית לעומת עצים אחרים (על פי מחקר השוואתי לאורנים, האלונים אפשרו קליטה של 20% יותר מי גשמים באדמה), ובכך תורמים את העשרת מי התהום וכן מעודדים מגוון ביולוגי רב יותר בסביבתם.

ההרכב הכימי של קליפת העץ ודחיסותה הופך את האלונים לעמידים באופן יחסי בפני דליקות. לאלונים עמידות משריפות קוצים "דלילות", מאחר ועל מנת שקליפתם תדלק דרוש חום רב וממושך. עמידות זו לא עמדה לאלון המצוי מאחר והשריפה האחרונה בכרמל אופיינה בעוצמת אש רבה, חום גבוה מאוד, קירות אש בגובה עשרות מטרים וכל זאת למשך מספר יממות...אפילו לאלונים לא היה סיכוי.

האם נשכיל ללמוד מקליפת האלון ונפתח חומרים עמידים לאש – על כל צרה שלא תבוא?

גיליון נובמבר 2010

אנו שמחים להגיש לכם את גיליון נובמבר של חדשות מהטבע.

בעולם נחתמה החודש ועידת הפסגה של האו"ם לשימור המגוון הביולוגי. כמאתיים מדינות התחייבו לפעול בדחיפות עד 2020 במאמץ לבלום את אובדן המגוון הביולוגי ולשמור על בעלי חיים וצמחים בסכנת הכחדה. בין ההחלטות שהתקבלו: הגדלת שטח שמורות הטבע ביבשה ובים, הגנה על יערות ועל שוניות אלמוגים וריסון הדיג.
מעבר לחשיבות הערכית, החברתית והאקולוגית של החלטה זו, ישנה חשיבות גם לשימור מגוון המורים והמודלים שבטבע כי "מין שנכחד הוא מורה שאבד".
מינים שנחקרו לאחרונה הם הדולפין, המדוזה וגוף האדם. מחקרים אלו קידמו יישומים בתחומי ההנדסה, התנועה, הרפואה וטכנולוגיות המים. על כך תוכלו לקרוא בהרחבה בגיליון זה.

בחודש ינואר תתקיים הרצאה וסדנא בנושא ביומימיקרי בוועידה הישראלית השלישית לבנייה ירוקה בישראל. לפרטים והרשמה לוועידה ולסדנא ניתן לפנות לדוא"ל
אנו עומדים לקיים בקרוב השתלמות נוספת למתנדבי הארגון בבתי הספר. נשמח להרחיב את מעגל המתנדבים למחוזות נוספים בארץ. לפרטים אנא פנו אלינו בדוא"ל

קוראים המעוניינים לקבל מידע שוטף מוזמנים להצטרף לדף הפייסבוק של ארגון הביומימיקרי ולקרוא ידיעות נוספות על הפיתוחים האחרונים בהשראת הטבע ועל פעילות הארגון.

בברכת קריאה מהנה,

צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי



ממברנות לטיהור מים – הדור הבא

עם התמעטות מקורות המים הנקיים הזמינים לשימוש, נעשה מאמץ לפתח מערכות סינון למים שהן גם אפקטיביות מבחינה אנרגטית אך גם מאפשרות סינון וטיהור מים ברמה גבוהה מאוד. אחד הפיתוחים המבטיחים ביותר בתחום זה הוא ממברנת סינון המשלבת את החלבון הממברנלי אקופורין, חלבון בעל סלקטיביות גבוהה למים.

ממברנות (קרום התא) משמשות בטבע כחיץ בין התא לבין הסביבה החוץ תאית. ממברנות אלו מורכבות ממבנה שומני דו-שכבתי ואינן חדירות למולקולות מים, ליונים ולמולקולות טעונות נוספות. עם זאת, התא צורך חומרים אלו, הנכנסים לתא בצורה סלקטיבית. הסלקטיביות של הממברנה הביולוגית קריטית לשרידות התא/אורגניזם בכל סביבה ובסביבה מזוהמת בפרט.
כניסת מים לתא מבוצעת על ידי תעלת מים הבנויה מהחלבון הממברנלי אקופורין (Aquaporin). תעלות אלו קריטיות לקיום החיים ונמצאות בכל אורגניזם לרבות חיידקים, צמחים והאדם.


תמונה של חלבון פורין
התמונה באדיבות Opabinia regalis תחת רשיון GNU

חברת הקלינטק הבריטית אקוופורין זכתה לאחרונה בפרס Best Practices Awards  של Frost & Sullivan, על מחקרה בתחום הממברנות הביומימטיות. החברה פיתחה ממברנת הפרדה המשלבת את החלבון אקופורין במבנה הממברנלי. הממברנה הביומימטית מחקה את התופעה הטבעית של העברה אקטיבית וסלקטיבית של מולקולות בממברנה שומנית. התעלה הממברנלית כה סלקטיבית עד שהיא מונעת מעבר יונים ופרוטונים אך מאפשרת מעבר של מולקולות מים. כדי להטמיע את שיטת הפילטרציה הזו בתעשייה ולצרכים ביתיים היה צורך במחקר מקיף על המבנה והתפקיד של החלבון המרכיב את התעלה הממברנלית הזו.  
קישור לצפיה בסרט הסבר  
מבדיקות שנעשו במעבדות החברה, עולה כי שילוב חלבון האקווהפורין בממברנות תעשייתיות אפשרי. הממברנות של חברת אקוופורין בעלות פוטנציאל להשתלב באפליקציות בסקטורים שונים מטיפול במים ועד שחרור מבוקר של תרופות. ממברנות ביומימטיות אלו בעלות פוטנציאל להחליף את הממברנות הפולימריות המסורתיות לאור אפקטיביות ההפרדה הגבוהה שלהן ויכולתן להפריד מולקולות בגדלים שונים ובכמויות גדולות.
מטרת החברה היא להמשיך ולפתח את ממברנת האקוופורין ולהגיע לטיהור מים בסטנדרטים גבוהים שלא נראו כמותם בתעשייה. החברה מצפה להשיק את מוצר הדגל כבר במהלך 2011.

למידע נוסף

תעלומת הסונאר והבועות

מאת: יעל הלפמן כהן

מדענים מאוניברסיטת סאות’המפטון פיתחו סונאר תת מימי המסוגל לזהות עצמים דרך ענני בועות הממסכים ופוגעים ביכולת הזיהוי של סונאר רגיל.

סונארים מזוהים בעולם החי עם העטלפים. הסונארים מאפשרים התמצאות במרחב באמצעות פענוח של מערכת מורכבת של אותות חופפים. גם דולפינים משתמשים בהבדלים בין האותות היוצאים והחוזרים מעצמים בסביבה למציאת מזונם במים.
סונארים תת מימיים רגילים פותחו בעיקר למטרות צבאיות ויועדו למים עמוקים, שם אין ענני בועות. בתווך של מים רדודים המאופיין בזרימה ובענני בועות, האותות המשודרים מהסונאר נשברים בדרכם למטרה ויכולת יצירת התמונה נפגעת. פיתוח סונאר המסוגל לזהות מטרות גם במים רדודים המאופיינים בענני בועות הוא אתגר הנדסי.
פרופ' טימותי ליגטון (Timothy Leighton) ממכון המחקר לרטט (ויברציה) וקול באוניברסיטת סאות'המפטון וצוות המחקר פיתחו קונספט חדש של סונאר המכונה סונאר האותות "התאומים" ההפוכים (Twin inverted pulse sonar (TWIPS.
על מנת לתפוס טרף דולפינים מייצרים רשת של בועות בה סונאר רגיל לא יעבוד. צוות החוקרים הניח שלדולפינים יש מנגנון סונאר טוב יותר המאפשר תפקוד גם בתווך של בועות. מכיוון שלא היו מחקרים קודמים על סוג הסונאר בו משתמשים הדולפינים בתווך הבועות, החוקרים ניסו לחשוב אילו אותות על הדולפינים לייצר כדי להתמודד עם אתגר זה.

        התמונה באדיבות Camille Ménard
מפורסם תחת רישיון Creative Commons Attribution-Share Alike 2.0 France

כפי שמרמז השם, קונספט הסונאר החדש שפותח מבוסס על שני טורים של אותות "תאומים" חופפים. לאות הראשון בכל זוג יש צורת גל שהיא שחזור הפוך של תאומו. האות הראשון נפלט שבריר שנייה לפני תאומו ההפוך.
צוות המחקר הראה שסונאר האותות התאומים יכול לטפל בפיזור האות מהמטרה ולהבחין בין אותות הבאים מענני הבועות ומהעצמים. החוקרים הראו בניסוי שלסונאר זה ביצועים טובים יותר מסונאר רגיל בזיהוי דיסק פלדה קטן שנמצא תחת תנאי בועות המדמות את גלי האוקיאנוסים. בשלב הבא החוקרים השוו את יכולת סונאר האותות התאומים לזהות את קרקעית הים יחסית לסונאר רגיל. נמצא שלסונאר זה ביצועים טובים יותר בזיהוי הקרקע מאחורי נתיב של כלי שיט גדולים כמו מעבורות, נתיב המאופיין בזרימה ובועות.
אפליקציות ימיות אפשריות לסונאר שפותח כוללות הגנה על נמלי ים, זיהוי משקעים ימיים וגילוי חומרי נפץ מוסתרים. טכנולוגיה דומה ניתנת ליישום גם באפליקציות רפואיות של הדמיה רפואית לרבות הדמיה מגנטית.
מרכיבי המפתח של טכנולוגית סונאר האותות התאומים מופיעים במינים שונים, אך הם לא נמצאו כולם באורגניזם אחד. מנגנון הפעולה המלא של סונאר הדולפין נשאר עדיין בגדר תעלומה.

מקור

מדוזה כמודל ליעילות

מאת: יעל הלפמן כהן

המדוזות יוצרות מערבולות טבעתיות הדוחפות אותן קדימה. מנגנון הנעה זה מבוסס על עקרונות מתחום דינמיקת הנוזלים ויתכנו לו יישומים שונים בתחומי התנועה והרפואה. 

בעלי חיים ימיים נחקרים בהקשרים של דפוסי זרימה ותנועה. לאחרונה דיווחנו על מחקר שבוצע במכון הטכנולוגי הקליפורני (CalTech) שעסק בדפוסי הזרימה בלהקות דגים שתורגמו למודל מתמטי לתכנון המיקום המרחבי של טורבינות רוח.  מחקר מעניין נוסף שבוצע במכון הטכנולוגי הקליפורני עסק במנגנון התנועה של המדוזות.
למרות שהמדוזות נחשבות לאורגניזם פשוט, ניתן ללמוד מהן עקרונות הנדסיים הקשורים לדינמיקת הנוזלים. במשך זמן רב אנשים חשבו שמדוזה שוחה על-ידי הנעת סילון בדומה לרקטה. במחקר שנערך לאחרונה במכון הטכנולוגי של קליפורניה   (Caltech), נמצא שהמדוזות יוצרות מערבולות טבעתיות הדוחפות אותן קדימה.
טכניקת ההדמיה התבססה על הוספת צבע מזון לסביבה המימית על מנת שניתן יהיה להבחין בזרמים הנוצרים על ידי המדוזה במהלך השחייה. המדוזות הקטנות נבחנו במעבדה אך הגדולות נבחנו בסביבתן הטבעית על ידי חוקרים צוללנים. נבחנו מינים נפוצים שמצויים בשפע ואינם מסוכנים לאדם.


דינמיקה של זרימה באוויר במים או בדם ניתנת לתיאור על ידי אותן משוואות. הפיסיקה והמתמטיקה לא משתנה בין אויריון, מדוזה או לב. גילוי מנגנון התנועה היעילה שבמדוזה יוכל לסייע בתכנון צוללת יותר יעילה או בזיהוי בעיות תפקוד בלב כאשר העקרונות המשותפים קשורים לדינמיקת הנוזלים.
מערבולות דומות מופיעות גם אצל בעלי חיים ימיים אחרים כמו צב או כריש, אך נתיב הזרימה שלהם מסובך יותר וקשה יותר לפרשנות. דווקא הפשטות של המדוזה מסייעת בזיהוי עקרונות הזרימה.
אפליקציה אפשרית היא בנית כלי רכב תת ימיים המניעים עצמם באמצעות יצירת מערבולות בדומה למדוזה.

לראיון המלא שנתן ג'ון דבירי (John Dabiri), עוזר פרופ' לאווירונאוטיקה וביו-הנדסה במכון הטכנולוגי של קליפורניה למגזין Times

ריאה על צ'יפ

מדענים מבית הספר לרפואה בהרווארד הצליחו לחקות את הפונקציונאליות הריאתית על צ'יפ שגודלו   1 X 2 ס"מ בלבד. האם בעתיד במקום תור להשתלת ריאה פשוט נזמין "ריאה על צ'יפ " כדי לנשום לרווחה?
כיום, קיימים מודלים הנדסיים לרקמות אנושיות כמו כלי דם, שרירים, עצמות, כליות ואפילו מוח. אך עד היום, לא הצליחו להנדס מערכת מורכבת שמשכפלת את הפונקציונאליות הפיסיולוגית והמכאנית של איברים הבנויים ממספר רקמות, כולל כלי-דם. יחסי הגומלין בין הרקמות השונות באותו איבר קריטיות לתפקודו המכאני והפיסיולוגי ולהם חשיבות מכרעת בפיתוח איברים מלאכותיים פונקציונאליים.
במחלקה ל"הנדסה בהשראת הביולוגיה" אשר בבית הספר לרפואה בהרווארד בארה"ב, במעבדתו של דר' אינגבר (Donald E. Ingber), פיתחו לאחרונה "ריאה על צ'יפ". המכשיר המזערי מסוגל לבצע מספר פונקציות המאפיינות את הממשק בין כלי הדם והנאדיות בריאה. המכשיר הורכב על ידי שתי שכבות המופרדות באמצעות ממברנה גמישה ודקה ביניהן. שכבה אחת צופתה בתרבית תאי אפיתל ריאתי והשכבה השנייה צופתה בתרבית תאי אנדותל של כלי דם. גודלו של המכשיר הוא 1X2 ס"מ בלבד.
לאחר גמר תהליך הציפוי, הוכנסו אויר ונוזל למערכת כדי לחקות טוב יותר את הממשק הקיים בנאדיות הריאה. בנוסף, המכשיר כוונן מכאנית לחקות גם את תהליך המתיחה-הרפיה בזמן הנשימה.
התוצאות שהתקבלו הצביעו באופן ברור על חיקוי מלא של תהליך הנשימה, כולל הדמיה של תהליך דלקתי כתוצאה מהוספת חיידקים למערכת.
לפיתוח "ריאה על צ'יפ" יש את הפוטנציאל לחולל מהפכה בתחומים רבים כולל פיתוח תרופות ומחקר על רעלנים. כמו כן, הפיתוח מאפשר צפייה ישירה ואנליזה כמותית של מערכת הנשימה בדרך שלא הייתה אפשרית במודלים שפותחו עד כה.
מקור

נפלאותיו של מלפפון הים

מאת: מאיה גבעון

מלפפון הים הוא יצור צנוע ונחבא אל הכלים. צוללנים רבים נתקלו באחד מעשרות מיניו המצויים בים סוף ובים התיכון, ופעמים רבות חשבו אותו בטעות לסלע, או פסולת גומי ישנה על הקרקעית. כמה מפתיע לגלות שדווקא יצור זה ניחן בכל כך הרבה יכולות יוצאות דופן, שיכולות להפוך אותו למקור השראה ולמידה מן המעלה הראשונה.
מלפפוני הים שייכים לאחת מקבוצות בעלי החיים הותיקות ביותר שקיימות כיום: מערכת קווצי העור (אליה שייכים גם חבצלות, קיפודי וכוכבי הים), שקיימת כ-400 מליון שנים. כל חברי הקבוצה הינם בעלי שלד פנימי הבנוי מקלציט תחת השכבה החיצונית של העור. מלפפוני הים הם היחידים בקבוצה שבהם גבישי הקלציט נפרדים זה מזה והם מסוגלים באמצעות שינוי הריכוז של הגבישים ובעזרת שכבת שרירים להקשיח ולרכך את גופם, להתארך מאוד או להתכווץ, ולתפוס צורות שונות בתוך שניות.

התמונה האדיבות  Jacinta Richardson ו- Paul Fenwick
מפורסם תחת רישיון Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported

מלפפון הים, שלעיתים נקרא בטעות "חלזון ים" נחשב בתרבויות רבות במזרח למעדן מבוקש וכן לבעל סגולות ריפוי רבות, ובמדינות רבות כבר קיים ייצור ויצוא מסחרי של המלפפונים -עוד לפני שהובנו לחלוטין המנגנונים שאחראיים על תכונותיו המופלאות באמת.
מי שעקב אחרינו בטורים הקודמים, שם לב אולי לכך שדווקא היצורים המוגבלים – לכאורה, נחנו במנגנוני הגנה עצמית יוצאי דופן. כאשר מלפפון הים חש באיום, הוא פולט מגופו סיבים ארוכים אשר במגע עם מים הופכים מיידית למסת סיבים דביקה, שמסבכת ומקשה על הטורף לתקוף את המלפפון. המבנה הכימי המיוחד של הסיבים כולל שתי שכבות: השכבה החיצונית עוטפת את החלבון הדביק, ואורזת אותו באופן קומפקטי ואינרטי בתוך גוף המלפפון. כשהסיבים מופרשים, השכבה החיצונית מתפרקת, והחלבון הפנימי נחשף ועימו תכונות הדבק המהיר שלו. תכונות אלה נחקרות כיום לשימושים מסחריים שונים.
זה לא הכל. מחקרים מדווחים כי מינים מסויימים של מלפפוני ים לא מסתפקים בהפרשת סיבים במקרים של מגננה, אלא, "משליכים החוצה" את אבריהם הפנימיים! אין ספק שמדובר בפעולה מבלבלת גם עבור טורף פוטנציאלי, וגם עבור עולם המדע, שמרכז מאמצים רבים לחקר את יכולת ההצמחה מחדש (רה-גנרציה) של אותם איברים פנימיים בגוף המלפפון. הפוטנציאל העצום שבמחקר זה לקידום עולם הרפואה ברור.

מקור

גליון אוקטובר 2010

אנו שמחים להגיש לכם את גיליון אוקטובר של חדשות מהטבע.

כמובטח, בחלוף החגים, החלו מתנדבי הארגון בארץ להפיץ את זרעי הביומימיקרי בשיעורי "מבוא לביומימיקרי" בבתי הספר היסודיים. אנו פוגשים תלמידים סקרניים וחכמים המקשיבים קשב רב ומגלים עניין בנושא. נשמח להרחיב את מעגל המתנדבים למחוזות נוספים בארץ, המעוניינים, אנא פנו אלינו בדואל לתאום מועד ההכשרה. היקף ההתנדבות הוא כמה עשרות שעות בלבד בשנה, אך הסיפוק מלימוד נושא מרתק כמו ביומימיקרי הוא אדיר.

החודש הועברה השתלמות למורי מדעים במחוז מרכז. בהשתלמות נכחו כ- 200 מורים ומורות ואנו תקווה כי את פירות ההשתלמות נראה בעבודות חקר בנושא הביומימיקרי בבתי הספר בשנת הלימודים הנוכחית.

קוראים המעוניינים לקבל מידע שוטף מוזמנים להצטרף לדף הפייסבוק של ארגון הביומימיקרי ולקרוא ידיעות נוספות על הפיתוחים האחרונים בהשראת הטבע ועל פעילות הארגון.

בברכת קריאה מהנה,

צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי

דג מעופף – מציאות או מדע בדיוני?

מאת: יעל הלפמן כהן

צוות חוקרים מאוניברסיטת סיאול שבקוריאה חקר את יכולות התעופה של הדג המעופף במנהרת רוח ומצא מודל תעופתי יעיל ביותר ממנו נתן ללמוד ולפתח כלי תעופה חדשים.

ציפורים שמסוגלות לצלול מוכרות לנו, אך מסתבר שישנם גם דגים שהצליחו בכיוון ההפוך - לעוף. הדגים המעופפים המכונים גם דָאוֹ‏נים (שם מדעי: Exocoetidae), אינם עפים כמו ציפור באמצעות תנועות כנפיים, אלא דואים באמצעות סנפיריהם. דגים אלו מאופיינים בסנפירי חזה ארוכים המגיעים אצל מינים רבים עד קצה הזנב ובעזרתם הם מסוגלים לדאות באוויר מחוץ למים כשהסנפירים פרוסים.

דג מעופף מסוגל להישאר באוויר למשך 40 שניות, לנוע למרחקים של עד 400 מטר ולהגיע למהירויות של 70 קמ"ש (!). יכולת זו מסייעת לדג להימלט מטורפים. לאחר חזרתו של הדג למים הסנפירים מתקפלים ונצמדים חזרה לגופו של הדג, על מנת לאפשר לו לשחות.
מהנדס מכאני מאוניברסיטת סיאול שבקוריאה, הוקסם מיכולותיו של הדג המעופף עוד בילדותו, לאחר שקרא ספר מדע בדיוני על דגים מעופפים. לאחר שהבין שדג מעופף אכן קיים במציאות, החליט לחקור את מנגנון התעופה שלו על מנת להבין כיצד דגים אלו מצליחים להישאר זמן רב באוויר.

במחקר תעופת הדגים חושב יחס עילוי לגרר (יחס גבוה מעיד על יעילות גבוהה יותר) והיחס בין המרחק האופקי לגובה שעברו הדגים. נמצא שדגים אלו דואים טוב יותר מחרקים וטוב כמו למשל ציפור היסעור. בנוסף, נבדקה יציבות הדג במצבים שונים. במצב של מעוף, כאשר הסנפירים פרוסים הדג היה יציב ביותר, אך במצב של שחיה, כאשר הסנפירים משוכים לאחור, הדג לא היה יציב. באופן זה דגים מעופפים מותאמים לסביבת החיים גם באויר ,שם דרוש מעוף יציב, וגם בים, שם דרושה דווקא חוסר יציבות על מנת לתמרן במים.

החוקרים בדקו מה התועלת האווירודינאמית מדאייה קרוב לפני הים על מנת להבין מדוע הדגים המעופפים דואים בדרך כלל קרוב למשטח האוקיאנוס. נמצא שהיחס עילוי לגרר גדל כאשר הדגים דאו קרוב לרצפת מנהרת הרוח, וכאשר רצפה זו הוחלפה במיכל מים, יחס העילוי לגרר אף עלה, ואפשר לדג לעוף רחוק יותר. נראה שדאייה קרובה למשטח הים עוזרת לדג לעוף רחוק יותר.

לבסוף ניתחו החוקרים גם את זרמי האוויר מסביב לסנפירי וגוף הדג. נמצא שהמבנה של סנפירי החזה הנמצאים בסמיכות לסנפיר האחורי מאיץ את זרימת האוויר לעבר הזנב כמו סילון , מגדיל את יחס העילוי לגרר יותר ומשפר עוד יותר את ביצועי התעופה שלו.

יצורים מעופפים תמיד היוו מקור השראה וחיקוי לפיתוח דגמי תעופה. יעילות התעופה של דגים מעופפים מהווה מודל מעניין לחיקוי ולמידה וצוות החוקרים כבר הודיע שהוא שואף לבנות מטוס המנצל את האפקטים האווירודינאמיים של תעופה בסמוך לרצפה, בהשראת טכנולוגיית הדג המעופף.

לקריאה נוספת

חיידקי מעיים ומערכות הפעלה ממוחשבות

הגנום משול למערכת ההפעלה של האורגניזם. במחקר באוניברסיטת ייל שבארה"ב חקרו את השונה בין שתי המערכות כדי להבין למה לגנום נקודות כשל מעטות יותר מאשר למערכת ההפעלה לינוקס. המסקנה היא כי אי התלות בין תפקוד הגנים המווסתים הוא המפתח לאבולוציה טובה יותר גם במערכות ההפעלה.

לפי מחקר מאניברסיטאת ייל שבארה"ב בהנחיתו של פרופ' מרק גרשטיין (Mark Gerstein), מערכות בקרה הנדסיות, לעומת אורגניזם חיים נוטות ליותר תקלות. החוקרים בחנו את אבולוצית מערכות התפעול של מחשבים לעומת אורגניזם. ההשוואה עסקה ברשתות בקרה של חיידק המעיים המוכר ה- E-Coli ומערכת ההפעלה לינוקס (Linux). בבסיס המחקר הטענה כי הגנום הוא למעשה מערכת ההפעלה של האורגניזם החי.

הגנום של ה- E-Coli ורשת הלינוקס הן מערכות היררכיות, אך עם מספר הבדלים בעיקר באופן ההגעה ליעילות תפעולית. הרשת המולקולרית של החידק בנויה בצורת פרימידה, עם מספר מועט של גנים מווסתים בקצה, אשר מבקרים בסיס רחב של פונקציות ספציפיות הפועלות באי-תלות.
E-Coli
מערכת ההפעלה של לינוקס, לעומת זאת, מאורגנת בצורה המדמה פרמידה הפוכה, כאשר מעט פונקציות גנריות נשלטות על ידי הרבה פונקציות מערכת שונות.

פועל יוצא ממבנה הפרמידה ההפוכה הוא שכל שינוי או עדכון שגרתי של מערכת בקרה אחת יכול להיות הרסני למערכת כולה. למנוע תקלות שמקורן במבנה זה, המהנדסים עוסקים רבות בכוונון ותחזוקה של המערכת באופן שיגרתי.

אם משווים את המערכת הזו לאורגניזם כמו חיידק ה E-Coli, המצב שונה: ללא כיוונון, הפרעה משמעותית לרשת המולקולרית, למשל על-ידי מוטציה, תהיה הרסנית. לכן לחיידק אין מערכת של רכיבים כלליים, אלא ארגון בו יש יחידות עם התמחות ספציפית. מבנה זה שרד מליארדי שנות אבולוציה והגן על האורגניזם ממוטציות אקראיות שיכלו להסב לו נזק.

למקור הידיעה

אורגניזם החודש - מפציצנית מרעישה

ערכה: מאיה גבעון

לעיתים קרובות כשאנו נתקלים בשמם המדעי העברי של מיני בעלי חיים שונים, הדבר מעורר תמיהה, גיחוך ולעיתים פרץ צחוק קל (ראו לדוגמא ימשוש ופרעושית משלשלת). גם אורגניזם החודש שלנו ניחן בשם משעשע, אם כי מוצדק בהחלט.

המפציצנית המרעישה (Brachynus crepitans) היא חיפושית יבשה, שאינה מסוגלת לעוף. אולי כדי לפצות על כך, חננה אותה אמא טבע ביכולת לא פחות מופלאה. כאשר היא מותקפת, המפציצנית מסוגלת להתיז נוזל רעיל בטמפ' של 100°c(!) במהירות ובלחץ גבוה תוך כדי השמעת רעש אופייני וכך להרתיע טורפים הגדולים ממנה בהרבה.

לא רק שגוף החיפושית מסוגל ליצור ולהכיל נוזלים בטמפ' גבוהה ביותר וכן לשלוט ברצף, בכיוון ובמהירות ההתזה – אלא שגם כל התהליכים הללו מבוצעים על ידי אברון אחד זעיר בבטן החיפושית, שגודלו כס"מ בלבד. האברון מתפקד כתא מבודד, בו נערכת תגובה כימית אקזותרמית (פולטת חום), שנשלטת על ידי שרירים ושסתום ייחודי. תכונה זו הפכה את החיפושיות המפציצניות לכוכבות של צוותי מחקר רבים.

אחד מצוותי המחקר בראשותו של פרופסור אנדי מקינטוש מאוניברסיטת לידס, השתמש בחיפושית כמודל לבניית תא יחודי שאורכו שני ס"מ והוא מסוגל להתיז נוזלים למרחק של עד ארבעה מטרים, או ליצור עננת תרסיס תוך שליטה מלאה על טמפ', מהירות וגודל טיפות הנוזל. טכנולוגיה זו זכתה לשם µMistTM ויכולה להוות בסיס ליישומים רבים, החל ממנגונים יעילים יותר להזרקת דלק, ועד שיפור מנגנוני ספיגת תרופות.

קיימים כ-500 מינים שונים של מפציצניות, לכל אחד "טכניקת הפצצה" מעט שונה – פוטנציאל אדיר ללמידה וחידושים, וזאת ממין אחד בלבד...

למקור הידיעה

המלט הדביק של הצדפה

דר' וילקר מאוניברסיטת Purdue פיענח את מבנה דבק הצדפות. דבק אשר בשונה מדבקים שמקורם בבעלי חיים ימיים, נראה כמו מלט, קשה כמו מלט אבל - בעל יכולת הדבקה של דבק.

חיפוש אחר דבק יעיל, ידידותי לסביבה, אשר ניתן להשתמש בו גם בסביבה רטובה ממשיך לצבור תאוצה. ככל שהתקנים הסביבתיים הופכים מחמירים יותר, כך, יותר ויותר מהנדסי חומרים פונים לחיפוש ומחקר ביומימטי. צדפת האבלון, האצות, השממית, כולן נתנו השראה לפיתוח דבקים ידידותיים לסביבה.
כחלק מהמאמץ העולמי לפיתוח דבקים ביומימטים, ג'ונתן ווילקר (Jonathan Wilker) מאוניברסיטת Purdue שבמערב ארה"ב, חוקר את אופן ההדבקה של צברי צדפות מהסוג צדפה מזרחית מצויה (Crassostrea Virginica) ליצירת שוניות יחודיות.

הצדפות נצמדות הן לסלעים אך גם זו לזו על מנת להתמודד טוב יותר עם טורפים ועם הגלים והמערבולות האופיניים לאוקינוס.

החוקרים הצליחו לקבוע את הרכב הדבק המחבר את הצדפות זו לזו באמצעות השוואת החומר המרכיב את מעטפת הצדפה לזה המחבר בין הצדפות. מניתוח הרכב החומר, נמצא שחומר ההצמדה מכיל פי חמש יותר חלבון וכן יותר מים מאשר בהרכב מעטפת הצדפה. מבנה החומר השונה, מצביע על כך שהצדפה מיצרת חומר ייעודי לצורכי ההדבקה. ווילקר אשר חקר גם את מנגנוני ההצמדות של צדפות אחרות וכן של ספחת (Barnacle) מצא כי בחומר ההצמדה שחקר יש יותר חומר אנארוגני (דמוי מלט) מאשר בחומרי ההצמדה האופיניים לבעלי חיים ימיים אחרים. כמו-כן, חומר ההצמדה של הצדפות מכיל 90% יותר סידן קרבונט (חומר הגיר). סידן קרבונט לכשעצמו איננו דביק ולכן ווילקר מניח שסוד ההדבקה טמון בשילוב 90% סידן עם 10% החלבון.

Photo courtesy of Jonathan Wilker/Purdue University
ניתן לחשוב על אפליקציות של דבקים בהשראת הטבע בכל תחומי החיים: מרפואה (כדבק להדבקת מכשור רפואי מושתל ועד לדבק רפואי להדבקת רקמות), לתעשיית העץ והמתכת, לתעשיית המחשבים ועוד.

פרט לפיתוח חומר הצמדה ידידותי יותר לסביבה, הבנת מבנה חומרי ההצמדה של בעלי החיים הימיים, יכול לסייע בפיתוח חומרי ציפוי לכלי שייט שימנעו את ההצמדה של אותם בעלי חיים ימיים לכלי השיט – פעולה שכיום מצריכה שימוש בחומרים רעילים לים ולאדם.

מין שנכחד הוא מורה שאבד - אוכלוסית הצדפות הצטמצמה בכ- 98% (!) במאתיים השנים האחרונות כתוצאה מזיהום מתמשך, דגה מוגברת ומחלות.

לקריאה נוספת

עלה מלאכותי המייצר חשמל

מאת: יעל הלפמן כהן

צוות חוקרים מאוניברסיטת צפון קרולינה פיתח מתקן ליצור חשמל סולארי המחקה את תהליכי הפקת האנרגיה בעלים ובנוי מג'ל על בסיס מים. הצוות הראה שמתקן זה יכול לתפקד כתא סולארי. הטכנולוגיה עדיין לא בשלה אך היא בעלת פוטנציאל להחליף את התאים הסולארים הנפוצים הבנויים משכבות סיליקון.

בתהליך הפוטוסינתזה מייצרים העלים תרכובות אורגניות באמצעות אור השמש, מים ופחמן דו חמצני. תהליך טבעי זה המנצל ביעילות את אור השמש להפקת אנרגיה, עורר את סקרנותם המדעית של קבוצות מחקר שונות בעולם.

אחת הקבוצות המנסה לפתח "עלה מלאכותי" המייצר חשמל היא קבוצת מחקר מאוניברסיטת צפון קרוליינה שפרסמה לאחרונה את תוצאות מחקרה אודות תאים סולאריים הבנויים שכבות של ג'ל על בסיס מים.
המתקן הגמיש מורכב מג'ל שאליו הוחדרו מולקולות רגישות לאור. באחד הניסויים החוקרים אף השתמשו בכלורופיל מצמחים יחד עם אלקטרודות המצופות בחומר פחמני כמו גרפיט. המולקולות הרגישות לאור מעוררות ליצר חשמל בנוכחות קרני השמש בדומה למולקולות של צמחים המעוררות לייצר גלוקוזה.

מהתוצאות עולה כי הרעיון של מתקנים אלו, המבוסס על חיקוי תהליכים טבעיים יוכל בעתיד לשמש אלטרנטיבה לטכנולוגיות הנוכחיות. תאים אלו הם בעלי פוטנציאל להיות זולים יותר מתאים סולאריים מבוססי סיליקון ואף ידידותיים יותר לסביבה. בינתיים, היעילות של מתקנים אלו נמוכה.

האם בעתיד נוכל לכסות את גגות בתינו בשכבות של "עלים מלאכותיים" וליצר חשמל?

למקור הידיעה

גיליון ספטמבר 2010

קוראים יקרים,

אנו שמחים להגיש לכם את גיליון ספטמבר של חדשות מהטבע.
את השנה החדשה ציינו עם הכתבה "בן אדם אחרי קוף" שפורסמה במגזין "את עיצוב" שיצא בראש השנה. הכתבה היא תוצר של ראיון שניתן על-ידיי מייסדות ארגון הביומימקירי הישראלי לכתב העיתון טלאל ויצמן והיא סוקרת את תחום הביומימיקרי בצורה מקיפה ועשירה בדוגמאות. לכתבה

שנת הלימודים תשע"א החלה ובאופק מסתמנת פעילות ביומימיקרי ענפה במערכת החינוך. החודש הועברה השתלמות למנחים בנושא יחידת הלימוד "מבוא לביומימקרי" המיועדת לבתי הספר היסודיים. מתנדבים שעברו את ההשתלמות יתחילו לפעול בקרוב בבתי ספר בחוף הכרמל, זיכרון יעקב ובצפון הארץ. בתי ספר נוספים או מתנדבים נוספים בעלי עניין וגישה חינוכית מוזמנים לפנות אלינו ולקבל מידע אודות ההשתלמות הבאה.

החודש התחלנו גם בשיתוף פעולה עם "רמת הנדיב" בפיתוח יחידת לימוד לבתי ספר יסודיים. יחידת הלימוד "ביומימיקרי- חדשנות בהשראת הטבע" תשלב לימוד בכיתה, ברשת האינטרנט ובשטחי רמת הנדיב. בסיור יפגשו התלמידים צמחים ובעלי חיים בשטחי רמת הנדיב ששימשו השראה לפיתוח המצאות שונות וילמדו כיצד מערכות טבעיות יכולות לשמש כבסיס וכהשראה לפיתוחים טכנולוגיים.

ההרצאה "מבוא לביומימיקרי בתחום הביורפואי" ניתנה החודש בכנס לפיתוח ויצור מכשור רפואי בישראל MDDMI. בהרצאה נסקרו פיתוחים של מוצרים רפואיים בהשראת בעלי חיים וצמחים. בין המוצרים הוזכר גם חוט כירורגי מהפכני שפותח בהשראת קוצי הדרבן. החוט, המורכב ממבנה בעל קוצים זעירים הפוכים לכיוון התפר, מאפשר חלוקת מתח לכל אורך התפר ולכן גורם פחות טראומה לרקמה. על סיפור ההמצאה תוכלו לקרוא בהרחבה בגיליון זה.
קוראים המעוניינים לקבל מידע שוטף מוזמנים להצטרף לדף הפייסבוק של ארגון הביומימיקרי ולקרוא ידיעות נוספות על הפיתוחים האחרונים בהשראת הטבע ועל פעילות הארגון.

באיחולי קריאה מהנה ושנה טובה ומלאת השראה,

צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי

מהפכה בעולם הכירורגיה, על קוצו של...דורבן

חברת AngioTech פיתחה חוט כירוגי ייחודי בהשראת קוצי הדורבן. החוט המורכב ממבנה בעל קוצים זעירים הפוכים לכיוון התפר, מאפשר חלוקת מתח לכל אורך התפר ולכן גורם פחות טראומה לרקמה.
יש המאמינים כי דברים טובים באים בייסורים, המקרה של ההמצאה הרפואית המהפכנית הבאה בהחלט מחדד את האמירה הזו. דקירה מקוץ של דורבן כואבת. הוצאת קוץ של דורבן כואבת אף יותר. לא רק בגלל גודלו וחודו של הקוץ, אלא ובעיקר כתוצאה ממבנה ייחודי של קוץ הדורבן, מבנה הקיים במערכות נוספות בטבע, שבו לאורך הקוץ קיימים קוצים מזעריים נוספים– אבל, בכיוון ההפוך. למעשה, נסיון לשלוף קוץ של דורבן מהרקמה המותקפת גורם לכל אותם קוצים מזעריים "הפוכים" להיתקע ברקמה בדרכם החוצה ולגרום כאב נוסף.
                                                         התמונה באדיבות NPS
מדענים בחברת אנגיוטק, במקום להאשים את הדורבן באכזריות יתר לקורבנותיו, פיתחו בהשראת קוצי הדורבן חוט כירורגי מהפכני. החוט, ששמו כשם מקור ההשראה שלו QuillTM, מיועד לתפירת רקמות בעומקים שונים לאחר ניתוח. החוט, המורכב ממבנה בעל קוצים זעירים הפוכים לכיוון התפר, מאפשר חלוקת מתח לכל אורך התפר ולכן גורם פחות טראומה לרקמה. בנוסף, החוט מאפשר למנתח להימנע מאותו שלב מייגע  וגוזל זמן של קשירת קצה החוט להבטחת התפר. כל הנדרש בסיום התפירה הוא גזירת קצה החוט. עד להמצאה זו היה צורך בשימור החוט בצד אחד במהלך התפירה ויצירת קשרים מספר לאורך הרקמה כדי לפזר בצורה יותר אחידה את המתח. כל זאת בטל ברגע שמשתמשים בחוט כירורגי בהשראת קוץ הדורבן.

                               התמונות באדיבות חברת Angiotech Pharmaceuticals, Inc 

על מחשבים וחתולים

מאת: יעל הלפמן כהן

מוחו של החתול משמש כמודל לבניית מחשב-על ביולוגי שיהיה מסוגל לקבל החלטות מורכבות ולבצע יותר משימות בו-זמנית, יחסית למחשב קונבנציונאלי.
בשנים האחרונות נעשים מאמצי מחקר ברחבי העולם לפיתוח מחשבים שהבסיס לתפקודם ביולוגי. מדובר באחת מזירות המחקר החמות ביותר של תעשיית המחשבים והביוטכנולוגיה. מחשבים ביולוגים אלו עתידים להיות מחשבי-על, מחשבים הנמצאים בשורה הראשונה של המחשבים בעולם, מבחינת מהירות החישוב שלהם והיכולת לבצע חישובים רבים ומורכבים בו-זמנית.
אחת מקבצות המחקר העובדת על פיתוח מחשב ביולוגי נמצאת באוניברסיטת מישגן ומקור השראתה הוא לא אחר מאשר מוחו של החתול.
במוח של יונקים, תאי העצב (נוירונים) קשורים זה לזה על-ידי סינפסות המתפקדות כמתגים היוצרים מעברים המחברים אלפי תאי עצב. הסינפסות זוכרות מעברים אלו על ידי מתח ועיתוי הסיגנלים החשמליים שנוצרו על ידי תאי העצב. מוחו של החתול פועל באופן דומה והוא מסוגל לזהות פנים במהירות וביעילות רבה יותר יחסית למחשב-על. מוח החתול הוא מודל מעשי לחיקוי ולמידה משום שהוא פשוט יותר יחסית למוח האנושי, אך עדיין מורכב ויעיל.
                 התמונה באדיבות Guylaine Brunet תחת רישיון CC Attibution 2.0 Generic

רוב מחשבי העל המתוחכמים יכולים לבצע כיום מספר משימות אך מדובר במכונה מסיבית עם יותר מ- 140,000 יחידות עיבוד שעדיין עובדת לאט יותר ממוחו של החתול. במחשב רגיל, יחידות הזיכרון והיחידות הלוגיות ממוקמות בחלקים שונים ולכן הקוד מחושב בדרך לינארית. מוח, בניגוד למחשב, יכול לבצע הרבה פעולות בו-זמנית. לכן אנו יכולים לזהות פנים בשבריר שנייה, לעומת מחשב-על שלצורך אותה פעולה יידרש ליותר זמן ויותר אנרגיה.
החוקרים באוניברסיטת מישיגן מבססים את מחקרם על יחידה בשם Memristor המחליפה את הטרנזיסטור המקורי ומתפקדת כסינפסה ביולוגית. יחידה זו זוכרת את המתח אליו נחשפה בעבר ויכולה להתחבר למעגלים רגילים ולתמוך בתהליך שהוא הבסיס ללמידה במערכות ביולוגיות. עד כה, חוברו שני מעגלים חשמליים עם יחידת ה- Memristor ובמערכת זו הודגמו יכולות זיכרון ולמידה. השלב הבא הוא לבנות מערכת גדולה יותר, כאשר המטרה היא להגיע למורכבות של מחשב-על במכונה שגודלה לא יעלה על גודל מיכל של שני ליטר. מחקר זה ימשך מספר שנים.
אנלוג אלקטרוני של מוח החתול יוכל ל"חשוב" כחתול, לקבל החלטות מורכבות ולבצע יותר משימות בו זמנית, יחסית למחשב קונבנציונאלי.
למידע נוסף

עין תחת עין? רשתית תחת רשתית!

מאת: מאיה גבעון

לאחרונה התגלה היצור הראשון בעולם החי המצויד בעדשה דו-מוקדית - זחל החיפושית (Thermonectus marmoratus) . מאחורי עדשת העין, ממוקמות שתי רשתיות במרחקים שונים, כך שכל אחת יכולה להתמקד בנפרד וליצור תמונה ממוקדת במישור מיקוד שונה, כך שלמעשה, כל עין מתפקדת כשתי עיניים במקביל!
מרבית העיניים בממלכת החי פועלות באופן דומה, המבוסס על מנגנונים המוכרים היטב למדע. מסיבה זו חוקרים באוניברסיטת סינסינטי לא האמינו למראה עיניהם, כשגילו לראשונה יצור מעולם החי המצויד בעדשה דו-מוקדית: זחל החיפושית Thermonectus marmoratus- Sunburst Diving Beetle.
החיפושית שייכת לקבוצת החרקים שחווים גלגול מלא בין צורות שונות מאוד, משלב הביצה, דרך זחל, גולם ועד לתצורתם הבוגרת (Holometabolous). בשלב הזחל של החיפושית, המצויה באזור נחלים במערב התיכון ודרום המערב בארצות הברית, היא מצויידת בלא פחות מ-12 עיניים שתפקידן לסייע בהישרדות הזחל הפגיע ובלכידת מזונו. בארבע עיניים מתוך ה-12 התגלה לאחרונה מנגנון משוכלל להפליא המאפשר לזחלים אלה להצטיין בציד זחלי יתושים בתוך המים: עדשה דו-מוקדית. עם גלגול הזחל לצורת החיפושית הבוגרת, נעלמות זוגות העיניים ואיתן המנגנון הייחודי.

           התמונה באדיבות Ltsheras תחת רישיון CC Attribution Sharealike 3.0

המאמר שפורסם בחודש אוגוסט האחרון בכתב העת Current Biology, מתאר שני ניסויים ששימשו את החוקרים להוכחת המבנה המורכב של עין הזחל. מאחורי עדשת העין, ממוקמות שתי רשתיות במרחקים שונים, כך שכל אחת יכולה להתמקד בנפרד וליצור תמונה ממוקדת במישור מיקוד שונה כך שלמעשה, כל עין מתפקדת כשתי עיניים במקביל! יותר מכך, המבנה הא-סימטרי המיוחד של העין משפר את יכולת ההפרדה של התמונה המתקבלת והתוצאה היא עדשה דו-מוקדית משוכללת ומוצלחת יותר מהעדשות המיוצרות כיום בענף האופטיקה. סביר להניח, כי פיצוח מנגנון הפעולה של העדשה יוכל לבשר עידן חדש של שכלולים בתחום ההנדסה האופטית.

לקריאה נוספת

דגים, שיטפונות והגשר שביניהם

מערכת התראה בפני קריסת גשרים המחקה את מערכת החיישנים בגופו של דג הסלומון נמצאת כעת בפיתוח. המערכת תזהה מערבולות וכיווני זרימה שיחד עם חיישנים נוספים יתנו אינדיקציה בזמן אמת למצב המבני של יסודות גשרים הבנויים בתחתית נהרות.
יותר מרוחות, שרפות, רעידות אדמה ובעיות מבניות, שיטפונות הם הגורם מספר אחת לקריסת גשרים. כ- 60% מקריסת הגשרים בארה"ב הם כתוצאה משיטפון. בשיטפון, הטורבולנציה והכוחות כה חזקים עד שהם שוטפים את האדמה אשר בבסיס הגשר ומובילים לקריסתו. כיום, עדיין אין דרך לצפות מה מצב בסיס הגשר, מה שמוביל לקריסה פתאומית ולפגיעה בנפש ורכוש. לא ברור כיצד ומתי נשחקת תחתית הנהר ומגיעה למצב המערער את יציבות הגשר. תחתית הנהר מורכבת בדרך כלל מתערובת של חול, צדפות ובוצה, כל אחד מהמרכיבים מושפע בצורה שונה מזרמים חזקים המאפיינים שיטפונות. דר' Yu מאוניברסיטת Western Reserve שבאוהיו ארה"ב, טוען שחיישנים תת ימיים שיספקו מידע בזמן אמת על מצב תחתית הנהר ויציבותה יאפשרו להתריע בזמן אמת על שינוי מבני באדמה התומכת ביסודות הגשר לצורך ביצוע התיקונים הדרושים מבעוד מועד. כדי לאבחן את מצב בסיס הגשר, תחילה יש לאבחן את מהירות הזרם, חוזקן של המערבולות וכיווניות הזרימה.

את כל אלו, יודע לבצע דג הסלמון, שפיתח מערכות חיישנים מורכבות שייסיעו לו במסעו נגד הזרם. מערכת חיישנים זו, רגישה במיוחד למהירות זרם הנהר וכיוונו. תנועה של תאי שערה מזעריים המצויים על פני שטח גופו של דג הסלומון, מאפשרים את חישת כיוון זרם הנהר. את מהירות הזרם הדג "מחשב" מתוך הפרשי הזמנים בין מיני מערבולות הנוצרות כתוצאה מתנועת הדג.
במעבדתו של דר' Yu, נבנתה מערכת חיישנים המבוססת על מבנה השערות הגמיש שעל גופו של דג הסלומון. החיישנים מייצרים אותות חשמליים המשקפים את כיוון הזרימה ומהירותה. בימים אלו מפתחים במעבדה מערך חיישנים לחישה בזמן אמת של מערבולות וכיווני זרימה שיחד עם חיישנים נוספים יתנו אינדיקציה בזמן אמת למצב המבני של יסודות גשרים. שיטה זו הוכחה כרגישה ומדויקת ומהווה את השלב הראשון בפיתוח מערכת התראה בפני קריסת גשרים.

למידע נוסף

ביומימיקרי בישראל: דבק ביולוגי המחקה את המנגנונים הביולוגיים של הגוף

מאת: יעל הלפמן כהן

חברת לייפבונד (Life-Bond) הישראלית מפתחת דבק ביולוגי המחקה ומשפר את עיקרון הפעולה של מנגנון הפיברין האחראי על קרישת הדם בגוף.
דבק ביולוגי לשימושים כירורגיים הוא אתגר טכנולוגי לא פשוט. הדבקים שפותחו עד כה לוקים בבעיות רבות, החל מיכולת הידבקות מוגבלת וכלה ברעילות לרקמה. קבוצות מחקר וחברות רבות מנסות לפתור את הבעיה, חלקן באמצעות המתודה הביומימטית: חברה אחת מנסה לחקות את הדבקת האצות בים, אחרת את הדבקת הצדפים ויש גם חברה שמחקה את המנגנון שברגלי השממית.
בחברת לייפבונד בחרו להתמקד בחיקוי המנגנון הביוכימי הטבעי של גוף האדם - דבק הפיברין. הדבק הביולוגי הטבעי בו משתמש הגוף מורכב מחלבון הפיברין, אשר עובר צילוב אנזימטי בהפיכתו לדבק. הגוף מתקן פצע על-ידי היווצרות רשת של פיברין. בזמן פציעה משופעלת מערכת ביולוגית של אנזימים המסתיימת בקרישת הפיברין במקום הפצע שבכלי הדם ליצירת חסימה מכאנית המכונה "קריש דם". לצערנו, מנגנון זה יעיל אך ורק לעצירת דימומים קלים, במקרה של דימום קשה, המנגנון הטבעי אינו מספיק.

בחברת לייפבונד חיפשו פיתרון, דבק שדומה בעיקרון הפעולה למנגנון הפיברין אבל יעיל יותר ממנו. הם הצליחו לחקות את הטבע ואפילו לשפר את הקיים. במעבדות החברה פיתחו דבק ביולוגי המורכב מחלבון ג'לטין המופק מחזיר ואנזים מיקרוביאלי (אנזים ממקור חיידקי). כבר כעשר שנים משתמשים באנזים זה לצלב חלבונים בתעשיית המזון, להפקת מיני מזונות מעובדים כמו נקניקיות, בשר דמוי סרטן וכו'. מדעני לייפבונד הבינו שטכנולוגיה זו, בשינויים כאלו ואחרים יכולה להחליף את הפיברין, וכך נוצר הדבק הביולוגי של החברה הנקרא LifeSeal, חומר שבשפעולו מקנה יכולת הדבקה כרשת הפיברין ללא צורך בהפקת פיברין מדם אדם כפי שנעשה כיום. המוצר עדיין לא אושר לשימוש, אך יתחרה בשוק בדבק פיברין אנושי הנמכר כיום, דבק זה מופק מדם של בני אדם בתהליך ארוך ומורכב. להבדיל ממנו, הדבק של לייפבונד פשוט וזול לייצור, מדביק חזק יותר ונשאר זמן ממושך יותר בגוף, תוך שמירה על תכונות מכאניות אופטימאליות של גמישות והדבקה.

לאתר החברה

גליון אוגוסט 2010

קוראים יקרים,

אנו שמחים להגיש לכם את גליון אוגוסט של חדשות מהטבע.

אוגוסט כבר כמעט מאחורנו, ואנו צועדים לקראת שנת תשע"א בתקווה להמשך פעילות מרתקת ומהנה של הפצת זרעי הביומימיקרי בישראל. הפעילויות המתוכננות לשנה הקרובה כוללות פעילות במוסדות החינוך, האקדמיה, מתן הרצאות בכנסים וכן הידוק שיתופי הפעולה הקייימים ויצירת שיתופי פעולה פוריים וחדשים. לאחרונה, יצאנו לדרך של שיתוף פעולה בבנית מאגר מידע לחומרים ומוצרים ביומימטיים עם ארגון הביומימיקרי האמריקאי. בנוסף, הארגון פיתח מערך שיעור "מבוא לביומימיקרי" לתלמידי בתי הספר היסודיים לטובת פרויקט התנדבותי לפעילות ביומימיקרית בשנת הלימודים הקרובה. כל המעוניין להתנדב לפרויקט זה, מוזמן לקרוא יותר על אופי הפרויקט ולשלוח מייל - לקבלת פרטים נוספים.

בחודש ספטמבר תינתן הרצאת מבוא לביומימיקרי בתחום הביורפואי בכנס לפיתוח ויצור מכשור רפואי בישראל MDDMI. ביומימיקרי מסתמנת כמהפכה הבאה בעולם הטכנולוגיות הרפואיות. בהשראת בעלי חיים וצמחים פותחו מכשירים, חומרים וטכנולוגיות המצעידים את עולם הרפואה קדימה. ההרצאה הינה הרצאת מבוא לביומימיקרי תוך שימת דגש על פיתוחים ביומימטיים בתחום הרפואה, טרנדים מרכזיים ודוגמאות מרתקות לפיתוחים ביו-רפואיים בהשראת היתוש, העטלף, הצדפה, התולעים ועוד.

לרגל השבוע האחרון לחופש, כשכל הרעיונות להעסקת הילדים כבר כמעט ותמו, אנו שמחים להגיש לכם שי - משחק טריויה ביומימיקרי. המשחק פותח באדיבות סטודיו OHL. כנסו, שחקו, קבלו השראה ו...מדליה.

קוראים המעוניינים לקבל מידע שוטף מוזמנים להצטרף לדף הפייסבוק של ארגון הביומימיקרי ולקרוא ידיעות נוספות על הפיתוחים האחרונים בהשראת הטבע ועל פעילות הארגון.

באיחולי קריאה מהנה ושנה טובה ומלאת חידושים,

צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי

עיניים רובוטיות

מסתבר כי תא עצב בודד של חרק, מסוגל לבצע חישובים מסובכים כדי לנחות נכון גם תוך כדי תנועה. היכולת של חרקים, בעלי מוח בגודל ראש סיכה בלבד, לנחיתה מושלמת על עלה פרח מסקרנת ביותר.

נחיתה מדויקת תוך כדי תנועה מתאפשרת אודות לחישובים מסובכים שבדרך כלל מבוצעים על ידי אלגוריתמיקה מתוחכמת בתעופה מלאכותית, או על ידי מערכת עיצבית מורכבת בתעופת בעלי חיים.
במוח החרק המעופף יש תאים שכל תפקידם ביצוע אנליזות חישוביות בתנועה. שנים היה ידוע שחרקים יכולים להעריך כיוון של עצמים שונים, אך עד למחקר של פרופ' או'קרול מאוניברסיטת אדלייד שבאוסטרליה, לא היה ברור כיצד חרקים מחשבים מהירות. מסתבר, שחרקים מחשבים מבני תאורה שונים בטבע כמו בוקר ערפילי, או יום שימשי ומוחם מסתגל בהתאם. מכניזם זה, מאפשר לחרק המעופף לבדל עצם זז מתפאורה טבעית קבועה. כמו כן, ממחקר זה נלמד כי תא עצב בודד מסוגל לבצע פעולות מורכבות ביותר.

התמונה באדיבות  Richard Giddins
המחקר התמקד על האופן בו מוח החרק מתרגם מידע ממערכת הראיה שלו, מערכת המהווה 30% ממסת גופו. לימוד אופני החישוב של עצבי החרקים המעופפים תאפשר פיתוח ראיה מלאכותית בתנועה. צוות המחקר משתף פעולה עם התעשיה לפתח עין מלאכותית ברובוטים, המחקה את מנגנון הראיה של החרקים.
למידע נוסף

אורגניזם החודש: חיים ומוות ביד הלשון של... צבי המים המתוקים

מאת: מאיה גבעון
כולנו מכירים את תפקידה החיוני של הלשון בעת האכילה ולשם חישת טעם. רובנו גם מכירים את מנגנון ההזעה הלשוני (הלחתה) המשמש יונקים כדוגמת כלבים לוויסות טמפרטורת גופם. לאחרונה התגלה שימוש חדש ומפתיע ללשון: נשימה.

חוקרים מאוניברסיטת וינה שבאוסטריה גילו לתהדמתם כי צבי מים מתוקים מהמין Common musk turtle (Sternotherus odoratus )*  מצוידים בתאים מתמחים על גבי לשונם, המאפשרים להם לקלוט חמצן ישירות מהמים. תכונה ייחודית זו מקנה לצבים יכולת לשהות חודשים רצופים מתחת לפני המים.

התכונה המסקרנת התגלתה במקרה, בשעה שהחוקרים בחנו את הרגלי ההזנה של הצב, שהתקשה במיוחד באכילה על פני היבשה והעדיף ללעוס את מזונו תחת פני המים. בחינה של לשון הצב תחת מיקרוסקופ חשפה מבנה ייחודי הכולל פטמיות (papillae) מוארכות המסוגלות לקלוט חמצן מהסביבה המימית.
יש לציין כי היכולת לקלוט חמצן ישירות מהמים באמצעות תאים מתמחים מוכרת באורגניזמים שונים כגון צמחי מים וכמובן בדגים, אולם זו הפעם הראשונה שהמנגנון מתגלה על גבי הלשון. הצבים, המעניקים משמעות חדשה לפתגם "חיים ומוות ביד הלשון" עדיין אינם מהווים מקור השראה לחידושים טכנולוגיים. אתם מוזמנים להתחיל לחשוב על רעיונות!
* לא קיים שם מקביל בעברית למין זה, ולכן הושאר השם במקור. מ.ג.
לקריאה נוספת

סוד דחיית המים של העכביש

מאת: יעל הלפמן כהן

חוקרים מאוניברסיטת פלורידה הצליחו לפענח את סוד דחיית המים של העכביש הקשור לדפוס השערות שעל גופו, ולייצר משטחים דוחי מים, ללא כימיקלים אשר בנוסף גם מתנקים מעצמם.

קורי העכביש כבר הוזכרו בעבר כמקור השראה לפיתוח חומר חזק מפלדה ללא צורך בחימום. כעת מתברר שגם השערות על גוף העכביש יכולות לתרום את תרומתן לפיתוח משטחים דוחי מים הנקיים מכימיקלים.
מזה זמן רב ידוע ששערות העכביש מסרבות להירטב ושהעכבישים משתמשים בשערות דוחות המים שלהם על מנת להישאר יבשים או להימנע מטביעה. בועות אויר הנתפסות בין שערות העכביש, מאפשרות ציפה מצד אחד ושכבת בידוד נוספת מצד שני.

התמונה באדיבות תומס שחם, Thomas Shaham
לשערות על גופו של העכביש יש מבנה כאוטי ולא אחיד כך שחלקן ארוכות וחלקן קצרות, חלקן מעוקמות וחלקן ישרות. טיפות הנופלות על משטח רגיל לרוב מקבלות את צורת הטיפה הידועה הכוללת "זנב". המבנה הייחודי של השערות על גופו של העכביש גורם לכך שהטיפה אינה כוללת "זנב" כי אם הופכת לכדור זעיר ועל כן מתגלגלת החוצה.
חוקרים מאוניברסיטת פלורידה העוסקים בחקר סיבים מיקרוסקופיים זיהו את דפוס השערות המשתנה הנ"ל והבינו כי הוא קשור ליכולת של העכביש לדחות מים. בתחילה הם יצרו משטח סינטטי באמצעות שערות פלסטיק אחידות בגודלן ובצורתן, אך בהמשך חיקו את הדפוס הלא אחיד של השערות על גוף העכביש ויצרו משטח המורכב משערות פלסטיק המשתנות בגודלן ובצורתן, כאשר גודלן הממוצע הוא 600 מיקרון. המדענים הראו כי משטח זה בעל הדפוס הלא אחיד, דוחה מים בצורה טובה יותר יחסית למשטח בעל דפוס אחיד. מסתבר שדווקא המשטח הלא מושלם והלא אחיד מתאים יותר למטרת דחיית מים והחוקרים אף מכנים אותו משטח הידרופובי כמעט מושלם.
החוקרים רשמו פטנט על המשטח דוחה המים שיצרו אשר בנוסף הוא גם בעל יכולת ניקוי עצמית מאחר ומים נוטים להסיר עימם לכלוך ממשטחים שדוחים אותם. המשטח שפותח מגיב היטב למים חמים וקרים, וגרסה נוספת של משטח זה תוכל בעתיד גם לדחות שמן. בניגוד לחומרים אחרים דוחי מים המכילים כימיקלים דוגמת טפלון, במשטח זה אין צורך להשתמש בכימיקלים, משום שהוא מבוסס על חיקוי של מבנה פיסי ולא כימי.
למשטח זה יישומים רבים ובהם חומרי אריזה אטימים למים, חלונות ותאים סולארים המתנקים בעצמם ואף ציפוי דוחה מים לספינות למניעת חיכוך.
לכתבה המלאה

אל תסתכל ברירית תולעת הים – אלא במה שיש בה

ייצור סיבים מלאכותיים, ידידותיים לסביבה, הוא אתגר העומד בפני תעשיית האריגים. יתכן שדווקא ברירית תולעת הים ולא בקורי העכביש, תמצא התשובה.

תעשיית ייצור האריגים הינה אחת התעשיות הגדולות בעולם. ייצור אריגים סינטטיים מהווה שני שלישים משוק האריגים. אריגים סינטטים מיוצרים מחומרי גלם על בסיס נפט – אשר הופכים יקרים יותר ומהווים מקור משמעותי לזיהום בתהליך ייצורם. כחלק מהמאמץ למצוא תחליף ידידותי לסביבה כמקור לייצור אריגים סינטטיים, חקרו בשלושת העשורים האחרונים את קורי העכביש. קורי העכביש נתפסו כמודל נותן השראה לייצור סיבי חלבון בעלי ביצועים גבוהים וידידותיים לסביבה. עד לכתיבת שורות אלו, לא צלחו הניסיונות לייצור קורי עכביש מלאכותיים.
בחיפוש אחר מקורות השראה ביומימטיים נוספים, חקרו פאדג' ועמיתיו מאוניברסיטאת בריטיש קולומביה וגולף שבקנדה את מבנה הרירית של תולעת הים (Hagfish). תולעת הים מפרישה רירית למטרות סימון טריטוריה ולהגנה מפני טורפים פוטנציאלים. סיבי הרירית הופכים לחומר דמוי ג'לטין ודביק במגע עם מים. ייתכן כי סיבי החלבון של הרירית הינם מודל ביומימטי עדיף על קורי העכביש (אותה רירית היא זו שזיכתה את תולעת הים בתואר "הייצור הימי הדוחה ביותר" על ידי אנשי המקצוע בתחום...).

בהתבסס על העובדה שחלבוני הרירית בעלי תצורה דומה לזו של קורי העכביש כשהם מתוחים, מחקר זה משער כי תהליך יצור הרירית יאפשר ייצור סיבים ברי השוואה לקורי העכביש בתכונות המכניות. במחקר זה ניתן לראות שסיבי הרירית חזקים וקשיחים במידה יוצאת דופן. עוד נמצא כי תהליכים משלימים לתהליך הייצור כגון ייבוש, יצירת קשרים מצליבים וחישול, משפרים משמעותית את היציבות ארוכת הטווח של סיבים אלו. על פי תוצאות מחקר זה יש לנסות ולחקות את סיבי החלבון של תולעת הים על מנת לייצר אריגים ידידותיים יותר לסביבה.
לתאור המחקר

ביומימיקרי בישראל: סידן בעל יכולת ספיגה גבוהה בהשראת הסרטנים

מאת: יעל הלפמן כהן

חברת אמורפיקל הישראלית חקרה את תהליך הסתגלות הסרטנים לסביבה מימית דלת סידן ומצאה שבתגובה למחסור בסידן פיתחו הסרטנים מאגרי סידן זמינים המופקים ביעילות ונספגים בקלות בגוף הסרטן לאחר פירוקם. בימים אלו עובדת החברה על פיתוח תוסף תזונה של סידן בעל יכולת ספיגה גבוהה במיוחד בגוף האדם, המבוסס על מבנה המאגרים שזוהו בסרטנים.

אמורפיקל הוקמה בשנת 2004 על-ידי פרופ' אמיר שגיא, חוקר באוניברסיטת בן גוריון בנגב ומר יוסי בן, חקלאי המגדל סרטני מים מתוקים בחוות גידול ייחודית במושב באר צופר שבערבה.

מר בן הבחין שלסרטנים שהוא מגדל יש הצטברות סידן בגופם וכי הם מחדשים את שלד גופם באופן מחזורי. התופעה המעניינת גרמה למר יוסי בן לחבור לפרופ' שגיא על מנת לחקור את תהליך הפקת הסידן על ידי הסרטנים. במחקר ניסו להבין כיצד הסרטנים מסתגלים לסביבה מימית דלת סידן. נמצא שסרטנים אלו, שניחנו בשלד קשיח המורכב מכיטין, חלבונים ומכמויות גדולות של סידן, פיתחו מאגרים זמניים הקרויים "גסטרוליטים" בהם ניתן לאגור כמויות גדולות של סידן לזמנים בהם יש צורך מידי כמו לדוגמא בשלב הקשחת שלד חדש. מאגרי סידן אלו הם כל כך גדולים שהם יכולים להגיע עד ל-4% ממשקלו הכולל של הסרטן !
היה ניתן לצפות שתהליך הפקת הסידן חזרה ממאגרי סידן כל כך גדולים יהיה תהליך ממושך ו"יקר" מבחינה אנרגטית, אך סרטנים אלו פיתחו שיטה מהירה ויעילה לפירוק וספיגת הסידן מחדש וזאת באמצעות עיכול קיבתי. מאגרי סידן אלו נמצאים משני צידי קיר הקיבה, ברגע שהסרטן זקוק לסידן קורסים מאגרים אלו לקיבה, מתעכלים ובתוך ימים בודדים כל כמויות הסידן הגדולות הללו נספגות דרך המעי חזרה לגוף ולשלד.
כדי להצליח לספוג דרך מערכת העיכול כמויות כל כך גדולות של סידן פיתח הסרטן מנגנון נוסף. בעזרת חלבונים ייחודיים מצליח הסרטן לאגור את הסידן בגסטרוליטים בצורת מלח סידן נדיר הקרוי קלציום קרבונט אמורפי (ACC). פולימורפ נדיר ולא מגובש זה של המלח הגבישי הנפוץ פחמת הסידן (קלציום קרבונט) כמעט ולא מצוי בטבע בגלל אי יציבותו. אך ברגע שצלח תהליך ייצובו, מתאפיין מלח זה בתכונות כימיות ופיזיקאליות ייחודיות שמאפשרות זמינות ביולוגית ויכולת ספיגה גבוהות מאד של הסידן לעומת מקורות סידן אחרים.
חברת אמורפיקל חקרה בעיקר את החלבונים העיקריים בגסטרוליט ואת תפקידם ביצירת ה-ACC. לבסוף הצליחה לפתח טכנולוגיה סינטטית המתבססת על חומצות אמינו ייחודיות אשר מרכיבות חלקים גדולים ברצפי החלבונים של הסרטן, האחראים על ייצוב ה-ACC.

אמורפיקל מפתחת כעת תוסף תזונה המבוסס על שילוב ה- ACC הסינטטי כמקור סידן איכותי לבני אדם הזקוקים להשלמת סידן כחלק מטיפול תרופתי או מניעתי של מחלות מטבוליזם של העצם כגון אוסטיאופורוזיס. מחקרים הראו כי זמינות הסידן מ-ACC עבור העצם גבוהה בכ-40% על פני מקורות הסידן הנמצאים בשימוש החולים כיום. תוסף הסידן הייחודי הזה צפוי להגיע לשווקים בשנת 2011. חברת אמורפיקל מנוהלת על ידי צוות עתיר ניסיון בדמותם של מנכ"ל החברה מר' אילן לויטה וסמנכ"ל המחקר והתפעול ד"ר אסף שכטר.
למידע נוסף באתר החברה

ביומימיקרי במכללה האקדמית להנדסה SCE

המחלקה להנדסת מכונות במכללה האקדמית להנדסה SCE הציגה לאחרונה את פרויקטי הגמר במסגרת תחרות Animal-Tech, תכנון מוצרים בהשראת מנגנוני תנועה של בעלי חיים. בין הזוכים : קטנוע תת ימי המבוסס על תנועת הפינגווין ומכשיר חקלאי לזריעה המבוסס על ציפור המקאו.

תחרות ה – Animal Tech של המסלול לתיכנון ועיצוב המוצר במחלקה להנדסת מכונות SCE - המכללה האקדמית להנדסה סמי שמעון, התקיימה השנה לראשונה בשיתוף עם החוג לעיצוב תעשייתי במכללה האקדמית הדסה בירושלים. בתחרות הוצגו פרויקטים שתוכננו ועוצבו על ידי צוותים משותפים של סטודנטים משנה ב' משתי המכללות, כאשר כל צוות חקר ולמד מנגנון של אורגניזם אחר בטבע ופיתח בהשראתו מוצר מכאני ייחודי ברמת אב טיפוס מכאני ומוצר מעוצב. הסטודנטים להנדסת מכונות התמקדו בתכנון ההנדסי של הפרויקט ואילו סטודנטים לעיצוב תעשייתי פיתחו את הערכים האסתטיים והארגונומיים של הפרויקט. שלושת הפרויקטים הזוכים זיכו את הסטודנטים במלגות לימוד בסך כולל של למעלה מ – 11,000 ₪, במימון משותף של SCE, המכללה האקדמית הדסה ולשכת המהנדסים והאדריכלים.
במקום הראשון בתחרות זכה קטנוע תת ימי המבוסס על מנגנון התנועה של הפינגווין. הקטנוע מאפשר תנועה תת-ימית שקטה, מהירה ובטוחה. במקום השני בתחרות זכה פרויקט "הנקר"- מוצר חקלאי לזריעה באדמה המבוסס על ציפור המקאו ובמקום השלישי זכה משחק הרכבה מעופף לילדים המבוסס על מנגנון התנועה של השפירית.
פרויקטים נוספים שהוצגו בתחרות – שריון דמוי צב עם מצלמה להתחקות אחר בעלי חיים בטבע ללא הפרעה, "חסקה" המבוססת על האנטומיה של הלוויתן, מברשת קרצוף ייחודית בהשראת הלטאה ועוד.
לאתר המכללה

חדשות מהטבע יולי 2010

קוראים יקרים,
אנו שמחים להגיש לכם את גיליון יולי של חדשות מהטבע בגירסתו המקוונת החדשה.
חום יולי אוגוסט המכה במלא עוצמתו בימים אלו משאיר את רובנו ספונים בבתים ובמשרדים הממוזגים. תושבי הקבע של אזורנו, בעלי החיים והצמחים, פיתחו מנגנוני הישרדות מרתקים המאפשרים את המשך קיומם גם ללא מזגן. הטרמיטים פיתחו מערכת אורור ייחודית, השחארורית לוכדת אפילו את טיפת הטל הקטנה ביותר והאצטרובל מגיב ללחות כחלק ממנגנון השרדותו.
מנגנון התגובה של האצטרובל ללחות שימש השראה לפיתוח בד חכם המגיב ללחות ומותאם לאזורי מחיה חמים. בד זה הוצג החודש בכנס בנושא עולם הסיבים וטכנולוגיות טקסטיל חדשניות שהתקיים במוזיאון העיצוב בחולון, לצד טקסטילים חכמים נוספים שפותחו בהשראת הכריש, הלוטרה, הפרפר ובעלי חיים וצמחים נוספים.
על מנת לעודד המשך פיתוח טכנולוגיות בהשראת הטבע, חשוב לחשוף מנהלים, מהנדסים ואנשי מדע לדיסציפלינת הביומימיקרי. אנו שמחים לבשר כי בית הספר למנהל עסקים במרכז הבינתחומי הרצליה, המוביל חשיבה ניהולית יצירתית, מציע בשנת הלימודים הקרובה את הקורס "ביומימיקרי בסביבת הארגון". הקורס יקנה רקע תיאורטי בנושא ביומימיקרי וקיימות, לצד כלי תכנון, פיתוח וניהול המבוססים על דיסיפלינת הביומימיקרי. הקורס יועבר על-ידי מייסדות ארגון הביומימיקרי הישראלי, דר' דפנה חיים-לנגפורד וגב' יעל הלפמן כהן ומיועד לתלמידי תואר שני למנהל עסקים וממשל כחלק מאשכול איכות הסביבה.

קריאה נעימה,

צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי

תנועה דגית בים, באויר וביבשה

תנועתו של דג טרוטת עין-הקשת נתנה השראה למחקר ופיתוח מנגנון תנועה שקט יותר ובעל יכולת תמרון גבוהה יותר לספינת אויר. המנגנון מבוסס על פעילותם של סיבי שריר הדג במהלך תנועה במים.

תנועת דגים במים נחקרה רבות בהקשרים של פיתוח מתקני צלילה אוטומטיים חדשניים. הגדילו לעשות ואת מבנה דג הקופסינון, חיקו לצורך שיפור תנועת כלי רכב על היבשה.
מסתבר, שאת תנועת הדגים במים, אפשר ללמוד ולחקות לתנועה בים ביבשה ובעקבות ממצאי מחקר זה גם באויר!
ספינות אויר, כמו כלי שיט ימיים, מונעים באמצעות מדחפים (פרופלורים) ומכוונים על-ידי מייצבים בכלי בקרה וקטורית. שלא כמו בתנועה הדגית, מערכת מדחפים ומכוונים זו יעילה רק בתחום צר מאוד של מצבים, המדחפים מרעישים מאוד ובמהירויות נמוכות, יכולת תמרון ספינת האויר נמוכה ביותר.

דג טרוטת עין-הקשת (Rainbow trout), שימש השראה לפיתוח ספינת אויר שקטה ובעלת יכולת תמרון מאחר והוא בעל סגנונות שחיה מגוונים. מדענים משוויץ וגרמניה פיתחו ספינת אויר בעלת יכולת תמרון ותנועה המחקים באויר את תנועת דג טרוטת עין-הקשת. התנעת גוף דמוי דג באויר מתאפשרת אודות לשפעול חומר אלסטי מבודד (Dielectric elastomer). חומר זה מתפקד למעשה כשריר מלאכותי המורכב משכבה אלסטית מבודדת רכה בציפוי דו צדדי של אלקטרודות. בהינתן מתח לאלקטרודות, הכוחות האלקטרוסטטיים מוחצים את השכבה המבודדת שביניהם. מאחר והשכבה המבודדת איננה דחיסה, היא מתפשטת בכיוון השטוח. בדרך זו מתקבל אפקט כיווץ והרפיה. באמצעות טכניקת כיווץ והרפיה זו, אשר מיושמת לחילופין בשני צידי ספינת האויר (כשגב הספינה "מתכווץ" בטן הספינה "מתפשט" ולהיפך), נוצרת תנועה דינמית של מבנה הספינה כולו המאפשר תמרון רב יותר. תוצאת הניסויים היתה ספינת אויר שקטה מאוד בעלת יכולת תמרון גבוהה מהקיים היום. מתקן זה יכול לשמש במקומות בהם יש צורך בצילום ומעקב שקטים למשל במופעי אומנות או במעקב אחר בעלי חיים בטבע.
לכתבה המלאה

אנרגיה סולארית בהשראת עין הזבוב

מבנה עין הזבוב מאפשר קליטת תמונה מזוית רחבה ביותר - ומהווה נדבך משמעותי במנגנוני ההשרדות של הזבוב. על בסיס מבנה מורכב זה, מפתחים מדענים עדשות לקליטת אור (לא רק אור השמש) מזוית רחבה.

האנושות מגיעה לשיא בניצול נפט ודלקים פוסיליים אחרים, בעוד על פי דו"ח מקינזי, 3 מליארד בני אדם עדיין נמצאים בחסר אנרגטי משמעותי. במקביל לאפקט ההתחממות הגלובלית והעליה הצפויה של 2.3% בדרישה לאנרגיה בעשור הקרוב, היום, יותר מתמיד, יש צורך במקור אנרגיה נקי מתחדש.
אחד ממקורות האנרגיה הזמינים והנקיים היא אנרגית השמש. אור השמש הוא מקור אנרגיה בלתי נדלה שיש ללמוד לנצלו ביעילות. בשנים האחרונות נעשים נסיונות רבים ליעל את השימוש באנרגיית השמש ולנצל יותר מ- 30% מהאור לאנרגיה. עלות יצור תאים פוטוולטאים מבוססי סיליקון עדיין גבוהה ומטרתם של מחקרים רבים היא:
  • להרחיב את ניצול האור למשך זמן ארוך יותר ביממה
  • להתמיר אור לאנרגיה ביעילות מירבית
  • לצמצם את אפקט החזרת האור
  • לנצל גם מקורות אנרגיה שאינם אור השמש כתאורת לד, תאורת רחוב וכל מקור אור בכל אורך גל.
עינו של לא אחר מאשר זבוב הבית (Musca domestica) היא מקור ההשראה לפיתוח מבנה עדשה חדשני לקליטת אורכי גל שונים של אור במערכות פוטוולטאיות.

תמונה באדיבות Knut Piwodda תחת רשיון GNU
מבנה העין של זבוב הבית, כפי שכל מי שניסה לתופסו יודע, מאפשר קליטת תמונה מזוית רחבה ביותר, זאת אודות למבנה מיקרוסקופי מורכב. אומנם תאים פוטוולטאים אינם מערכות אופטיות, אך ככל שזוית קליטת האור שלהם תהיה רחבה יותר, כזוית קליטת התמונה של הזבוב, יעילות ניצול האור, לא רק UV, תהיה גדולה יותר.
על בסיס מבנה עין הזבוב, פיתחו מדענים מארה"ב ומאיטליה (University of Salerno, University of Basilicata, Pennsylvania State University, ) עדשות מנסרה לשיפור הביצועים של תאי סיליקון סולארים. העדשות המצויות על פיסת הסיליקון במבנה מורכב, מאפשרות הגדלה משמעותית של החשיפה לאור.
בסימולציות הארה שונות, נמצא כי תכנון עדשות בהשראה ביולוגית יכולות לשפר באופן משמעותי את יכולת קליטת האור של תא הסיליקון הסולארי. רמת השיפור תלויה בחומר הנבחר לעדשות אלו וכן בתנאי הפעילות.
לכתבה המלאה

אורגניזם החודש - אצטרובל האורן

מאת: יעל הלפמן כהן

חום יולי אוגוסט, שמפתיע אותנו בעוצמתו כל שנה מחדש, והלחות הנלוות אליו, מסמנים לאצטרובל שאפשר כבר להיפתח. על בסיס מידע זה, פיתחו בחברת MMT Textiles בד נושם המגיב ללחות.

תמונה באדיבות Fir0002/flagstaffotos, בהתאם לרשיון GNU
לא רק אנחנו, גם אצטרובל האורן, הנפוץ באזורנו מגיב ללחות.
בעזרת הבנת מנגנון התגובה של האיצטרובל ללחות, אנו תקווה כי המעבר מאקלים לח ליבש יהיה בקרוב נוח יותר, וכתמי זיעה מביכים יהיו נחלת העבר.
כאשר הלחות באוויר עולה, האצטרובל הופך ליותר נקבובי ובכך מאפשר לאוויר להיכנס ולשחרר את הלחות שבתוכו. אפקט זה המכונה "אפקט האצטרובל" הועתק לפיתוח בד חכם המגיב ללחות.
בדים חכמים מגיבים לרוב לטמפרטורת הסביבה ולא ללחות. כאשר יש לחות, הבד מתנפח והנקבוביות בין הסיבים קטנות. כלומר, פחות אויר יכול לזרום דרך הבד, בדיוק כשצריך אוורור ליבוש מהיר של הזיעה. בהשראת "אפקט האצטרובל" פותח בד המתפקד כאצטרובל – לחות גורמת למרווחים בין סיבי הבד להתרחב ובכך מתאפשר אורור טוב יותר. יישומים של בד זה ניתן לראות בלבוש צבאי, כלי מיטה בבתי חולים, תחבושות לפצעים ועוד.
לכתבה המלאה