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.

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