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.

פברואר 2011

קוראים יקרים שלום,

אנו שמחים להגיש לכם את גליון פברואר של חדש(נ)ות מהטבע.

החודש הסתיים קורס אקדמאי ראשון מסוגו "ביומימיקרי בסביבת הארגון". הקורס ניתן בבית הספר למנהל עסקים בבינתחומי בהרצליה, לתלמידי תואר שני למנהל עסקים בתוכנית המנהלים. בקורס נלמדו הבטים שונים של ביומימיקרי בארגון העיסקי.

אנו תקווה שסנונית ראשונה זו של מנהלים שסיימו את הקורס ישתלבו בתעשייה ויסיעו להוביל את מהפכת הביומימיקרי בתחומם!

בהזמנות זו אנו רוצים להודות למתנדבי הארגון המפיצים את זרעי הביומימיקרי בבתי הספר ולכותבים שלנו: מאיה גבעון הכותבת המתמידה ונדב זיו שכותב לראשונה בגליון זה – תודה!

מתנדבים המעונינים להצטרף להתנדבות בארגון מוזמנים לכתוב ל: info@biomimicry.org.il

בגליון זה תוכלו לקרוא על מקורות השראה לאנרגיה סולארית יעילה, כלי חיתוך מושחזים תמיד ומקור בלתי צפוי לאנרגיה. עוד בגליון זה תרומתו של הג'וק לעולם ואפילו קצת חשבון בהשראת הטבע (לא לדאוג, ללא נוסחאות).

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

קריאה מהנה,

צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי

ה- DNA בשירות האנרגיה המתחדשת

פיתוח בהשראת תהליך הפוטוסינתזה סולל את הדרך לטכנולוגיה חדשה של תאים סולארים יעילים המחדשים את עצמם.

מאת: מאיה גבעון

ברחבי העולם מבינים בהדרגה כי העתיד טמון בייצור אנרגיה נקייה ממקורות מתחדשים ובייחוד אנרגיה סולארית. למרות שייצור אנרגיה מאור השמש קיים בטבע מאות מיליוני שנים אצל אצות וצמחים, הטכנולוגיה האנושית עדיין לוקה בחסר ומפגרת אחר התהליך הטבעי, היעיל, החסכוני והאלגנטי של הפוטוסינתזה.

מחקרים רבים מוקדשים כיום ללימוד התהליך המאפשר לצמחים לקלוט אור שמש באמצעות פיגמנטים ולהפוך אותו ביעילות גבוהה לאנרגיה זמינה. המטרה מציבה בפני החוקרים מספר אתגרים, בדרך לייצור חשמל בתהליך המחקה את הפוטוסינתזה. הראשון קשור ביעילות התהליך, כלומר ביכולת לנצל את מירב האנרגיה המתקבלת מקליטת השמש בפיגמנט. הצמחים עושים זאת באמצעות מבנה ביו-כימי ייחודי של חלבונים בתא, שמכונה מרכז הריאקציה הפוטוסינתטית. אתגר נוסף קשור בקיום התהליך לאורך זמן: אנרגית השמש החזקה גורמת ל"שחיקה כימית" מהירה של המולקולות הקולטות אותה. בטבע, ההמשכיות מובטחת על ידי יכולת תיקון עצמית (רה-גנרציה) של תאי הצמח, כאשר הכרומופורים
 (chromophores, החלק במולקולה שקולט את האור ומעניק לפיגמנט את צבעו) מוחלפים בתדירות של אחת לשעה.

באוניברסיטת Purdue שבארצות הברית, צוות בראשותו של פרופסור ג'ונג היון צ'וי מפתח מענה לאתגרים הנ'ל, באמצעות מבנים ננומטריים (ננו-מטר הוא אחד חלקי מיליארד המטר), המורכבים ממולקולות ביולוגיות, כמו חלבונים ו-DNA, וכן ממולקולות סינטטיות הנקראות צינוריות פחמן חד שכבתיות (single-wall carbon nanotubes). התכונות הטבעיות של כל סוג מולקולה מנוצלות באופן שמאפשר ריאקציה יעילה יותר וכן חידוש עצמי של החלקים המתכלים.

במבנים אלה, הפיגמנט מקושר על ידי קטעי DNA לצינוריות פחמן. אנרגיית השמש מערערת את המבנה הכימי בפיגמנט, וגורמת לאלקטרונים לנוע ממנו דרך צינוריות הפחמן, שמוליכותן הטובה הופכת אותם לחוטי הולכת אנרגיה יעילים. תכונתו של ה-DNA להתפרק ולהיווצר מחדש באופן אוטומטי מאפשרת לנתק את הפיגמנטים שהתכלו מצינורות הפחמן באמצעות סיגנל כימי יחיד, ולאחר מכן ליצור קשרים לפיגמנטים חדשים, ללא השקעת אנרגיה חיצונית.

טכנולוגיה זו, שנמצאת עדיין בשלבי מחקר ופיתוח במעבדות, סוללת את הדרך לדור חדש של טכנולוגיות, יעילות וידידותיות יותר לסביבה, בזכות למידה מדוקדקת של התהליכים המקבילים בטבע וחיקויים.

האיור באדיבות Jong Hyun. ירוק: המבנים שקולטים את אור השמש ותורמים אלקטרונים למעבר בצינוריות הפחמן (שחור). המבנה מוחזק על ידי מקטעי DNA (אדום) שניתנים לפירוק וחיבור מחדש.


לקריאה נוספת

רובוט תיקן (או הג'וק הרובוטי...)

מחקר ישראלי-אמריקני שהוצג לאחרונה בוועידה הבינלאומית לנוירוטכנולוגיה מנסה לפענח את המנגנון העצבי של הליכת חרקים לקראת פיתוח רובוטים מתקדמים.

מאת: נדב זיו

התיקנאים (מקקים) או כפי שהם נקראים בלשון עממית ג'וקים, קיימים על כדור הארץ כבר 300 מיליון שנה, ככל הנראה בזכות יכולת הישרדות מרשימה בתנאי מחייה קשים. לתיקן איברי חישה הרגישים מאוד למגע ואפילו לשינויים בתנודות רוח על מנת לזהות מצבי סכנה כגון הופעת טורף. במקרי סכנה הגירויים הנקלטים מפעילים רפלקס בריחה הגורם לתיקן לפתוח בריצה במהירות מדהימה- במקרה של התיקן האמריקני היא כ 5.4 קמ"ש (שהם 1.5 מטר בשנייה!). כושר התנועה המופלא של התיקן מאפשר לו לברוח במהירות, לשנות כיוון תוך כדי תנועה על מרקמי משטחים שונים. לתיקנים מנגנון הליכה יציב המתקבל מהמצאות של שלוש רגליים מתוך השש על המשטח בכל רגע נתון.


התמונה תחת רשיון GNU
העבירות הגבוהה של התיקנים בתנאי שטח שונים נותנים השראה למהנדסים בתחום הרובוטיקה לפיתוח חיקויים מלאכותיים של יכולות תנועה אלו. רוב המחקר לגבי דפוסי ההליכה של פרוקי רגליים נעשה באמצעות תצפיות חיצוניות על אופן הנעת רגלי החרק בתנאי שטח שונים במהירויות משתנות. במחקרים אלו ונוספים נמצא כי לחרקים אין מוח מרכזי השולט בתנועת הרגליים אלא שכל רגל נמצאת תחת בקרה של צבר עצבי הנקרא גנגליון אשר מתפקד כמיקרו-מחשב ומרכז בקרה. כל גנגליון מקבל מידע מקולטן (חיישן) ברגל על מגע ומצב המנח שלה. בנוסף, כל הגנגליונים מקושרים אל הרגליים האחרות ברשת עצבית וזו יוצרת תיאום מרשים בפעולת הרגליים.

בסדרת ניסויים שנערכו על-ידי פרופ' אמיר איילי מהמחלקה לזואולוגיה באוניברסיטת תל אביב ועמיתיו בשיתוף עם צוות חוקרים מאוניברסיטת פרינסטון שבארה"ב, נבחן כיצד משוב עצבי מרגל אחת מועבר לרגליים האחרות ובעזרת מידע זה נבנו מודלים וסימולציות לתנועת תיקנים. "הרעיון הוא ליצור בסופו של דבר מודל של שישה אוסילטורים (מתנדים), שכל אחד מהם מדמה רגל אחת, והם פועלים בתיאום, כמו רגלי התיקן", מסביר איילי.

מידע זה יוכל לסייע בפיתוח רובוטים מתקדמים בעלי צריכת אנרגיה מופחתת וביצועים משופרים, שיותאמו לסוגי משטחים שונים, גם בכדור הארץ, וגם באזורים קשים ולא נודעים כמו בחלל החיצון.

למאמר המחקר

השחזה עצמית של כלי חיתוך בהשראת קיפודי הים

כמעט כל אחד מאיתנו זרק או השחיז פעם סכין שקהה. יתכן, שבאמצעות חקר מנגנון ההשחזה העצמית של שיני קיפוד הים, השחזת סכינים תהפוך לנחלת העבר ונצטרף לחשוב על תירוץ ממש טוב לפני שנשליך סכין לפח, כי הוא תמיד ישאר חד.

על מנת לשרוד בסביבת הים הגועשת, קיפודי ים לועסים את דרכם בסלעים לעבר גומחות מוגנות מפני טורפים ומפני טלטלות חזקות העלולות לנפץ אותם בסלעים.

לעיסת סלעים היא בהחלט תופעה מדהימה, בעיקר על ידי יצורים ימיים לא גדולים וכבדים במיוחד. אך מה שמייחד אותם עוד יותר הוא שלהבי השיניים של קיפודי הים, למרות לעיסת הסלעים נשארות חדות. קיפודי הים,מסתבר, הם בין המינים המעטים הקיימים בעלי יכולת השחזה עצמית של מנגנוני החיתוך שלהם.

במחקרה של פרופ' גליברט (Prof. Pupa Gilbert) ועמיתיה מאוניברסיטאת Wisconsin-Madison שבארה"ב אשר פורסם בגליון דצמבר האחרון בכתב העת Advanced Functional Materials, חושפת פרופ' גילברט את הסוד שמאחורי חדותם התמידית של שיני קיפוד הים.

פרופ' גילברט חקרה את קיפוד הים הקליפורני הסגול ומצאה ששן קיפוד הים גדלה כל הזמן. השן של קיפוד הים הינה מינרל ביולוגי המורכב מפסיפס של גבישי סידן פחמתי בשני מופעים: סיבים ולוחיות המחוברים זה לזה באמצעות ננו מולקולות של סידן פחמתי היוצרות הדבקה סופר חזקה.
התמונה באדיבות Bryce Richter
הסוד הוא השילוב בין חומר אורגני פחות מוצק בין שכבות הגבישים הסידניים המוצקים. החומר האורגני נמצא במקומות מסויימים לאורך השן ומהווה את החוליה החלשה בביומינרל, כך שבמקרה של שבירת השן היא תשבר בנקודה מתוכננת מראש ולא באופן בלתי מבוקר. בדומה לסימונים על להב סכין החיתוך (סכין יפני) אשר מכוונים את השבירה לנקודה מתוכננת, רק שבמקרה זה מדובר על מרחקים ננומולקולריים.

התמונה באדיבות Bryce Richter
פני השטח של הגבישים המאפיין את שיני קיפודי הים, שונים מגבישים אחרים המצויים בטבע ומאופיינים במבנה בו סדורים המרכיבים האורגניים והמינרליים בפסיפס של שן קיפוד הים.

עם פיצוח סוד חדותן התמידית של שיני קיפודי הים, ניתן לפתח על בסיס המבנה הנלמד סכינים בעלי יכולת השחזה עצמית. ישומים לסכינים בעלי יכולת השחזה עצמית יש בכל תחומי החיים והם עשויים לשפר את יעילותו של השף, הבנאי, המנתח ו...המתגלח (או: השפית, הבנאית המנתחת והמתגלחת...).

שימוש בסכינים בעלי יכולת השחזה עצמית יסייעו בצמצום הפסולת במערכות בהן הסכינים נזרקים לאשפה כשהם מאבדים מחדותם.

אורגניזם החודש: החיטה – לנוע לכיוון הנכון


בגליון הקודם תיארנו את מנגנון התנועה של זרעים המנצלים את אנרגיית הרוח לתנועה. הפעם בחרנו לספר לכם על מנגנון תנועה של זרעים המבוסס על מקור אנרגיה שונה בהחלט – שינוי לחות.

במהלך האבולוציה התפתחו מנגנונים שונים להפצת זרעי צמחים. מנגנוני הפצת הזרעים של הצמח הינם מנגנונים קריטיים להישרדות המינים בתנאי אקלים משתנים. כפי שתואר בגליון ינואר. אחד המנגנונים שהתפתחו במקביל במינים שונים וביבשות שונות הוא מנגנון ה"תעופה" של זרעים בעלי כנפונים הנושאים אותם על זרמי הרוח, מנגנון שמהווה מקור השראה לפיתוח רובוטים מעופפים.

דר' רבקה אלבאום חוקרת בפקולטה לחקלאות מזון וסביבה באוניברסיטה העברית בירושלים, חקרה מנגנון נוסף של הפצת זרעים – הפעם של זרע חיטת הבר.

לזרעים של עשבים רבים יש זיפים ארוכים כחלק מיחידת ההפצה של הצמח. לזיפים אלו תפקיד פסיבי במהלך הנפילה של הזרע מצמח האם, אך כפי שעולה ממחקרה של דר' אלבאום, אשר התפרסם בכתב העת Science, זיפים אלו אחראים בין היתר גם להנעת הזרע על האדמה ולתוכה בתהליך תלוי לחות.

הזיפים בזרע החיטה משמשים למעשה להנעת הזרע לעבר אדמה לחה. סיבי הצלולוז יוצרים כיפוף של הזיפים בהתאם לשינויים בלחות ובכך יוצרים למעשה תנועה על האדמה עד למציאת המיקום האופטימלי לנביטה.

התמונה באדיבות דר' אלבאום
באמצעות מיקרוסקופיה אלקטרונית, דר' אלבאום מצאה שכבת סיליקה על האפידרמיס המצופה בשערות זעירות. מבנה זה ככל הנראה מוריד את רמת החיכוך כל עוד הזיפים והזרעים נעים לאותו כיוון ומעלה את רמת החיכוך כאשר התנועה מנוגדת. כלומר, המבנה השעיר של הזיפים מאפשר תנועה משולבת של המנגנון.

השילוב של מנגנון תנועה תלוי לחות עם מבנה התומך בתנועה הרמונית של הזרע והזיפים הקשורים אליו, מגביר את הסיכוי למציאת המקום האופטימלי לנביטה.

אם נסתכל על מנגנון תנועה זה באנלוגיה למערכות הנדסיות, ניתן לאמר שהזיפים הם המנוע ומקור האנרגיה לפעולת המנוע הוא השינויים בלחות לאורך היממה.

האם בעתיד נראה מכלולים הנדסיים הפועלים על בסיס שינויי לחות?

למחקר

שיעור בחשבון מבועות סבון

מאת: יעל הלפמן כהן

חוקרים מאוניברסיטת מלגה הדגימו פתרון של בעיות מתמטיות ישנות בדרך חדשה ולא שגרתית - בעזרת בועות ושכבות סבון.

בועות סבון תמיד הקסימו ילדים ומדענים, אך לאחרונה הסתבר שהן גם יכולות לסייע בפתרון בעיות מתמטיות מסובכות.

שכבות סבון מהוות מודל למחקר בקרב מדענים מזה שנים רבות בשל תכונתן הבולטת: לשכבות הסבון יש מתח פנים מינימלי ושטח מינימלי כך שצורתן נקבעת תוך מזעור האנרגיה האלסטית שלהן. עובדה זו הופכת אותן למודל אידיאלי לפתרון בעיות בחשבון וריאציוני בהן אנו מחפשים פונקציה הממזערת פרמטרים מסוימים.

בועות סבון. שימוש בתמונה תחת רשיון GNU
במחקר שפורסם לאחרונה בכתב העת האמריקאי לפיסיקה מתואר מחקרם של קרלוס קרידו ועמיתיו מאוניברסיטת מלגה העוסק בפתרון מגוון בעיות מתמטיות קלאסיות בדרך חדשנית – באמצעות שכבות סבון.

אחת הבעיות המפורסמות שנפתרו בדרך זו היא בעיית עקום ה- Brachistochrone) .Brachistos – הקצר ביותר ו- cronos זמן). בעיה זו עוסקת בזיהוי צורת העקום בו כדור ינוע מטה בהפרש בין גבהים בצורה המהירה ביותר. פתרון הבעיה הוא העקום בעל המתלול המהיר ביותר. המתמטיקאי ברנולי מצא את התשובה לבעיה זו כבר לפני מאות שנים כשהוא זיהה את ה- cycloid, עקום הנוצר מנקודה על פני היקף מעגל המסתובב על קו ישר, כפתרון התשובה. פיתרון זה היווה את המקור לתורת החישוב הוריאציוני, ששימשה גם לפתרון בעיות קלאסיות נוספות, כמו בעיית השרשרת (צורת השרשרת המתרחבת בין קצותיה) ובעיית העקום האיזופרימטרי (העקום הממקסם את השטח אותו הוא סוגר).

המחקר מראה שחישובים אלו ניתן לייחס לצורה המאומצת על-ידי שכבות סבון תחת מגבלות מסוימות. החוקרים הדגימו כיצד יש לייצר את שכבת הסבון בין שני משטחים על מנת לקבל את העקום הרצוי ופתרו בדרך חדשה ולא שגרתית בעיות מתמטיות ישנות.

למקור הידיעה