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 מרץ 2011

לקוראנו הנאמנים,

ידיעון מרץ יוקדש כולו לכנס הבינלאומי בנושא ביומימיקרי ותעשיה שהתקיים בברלין במהלך החודש (Biomimetics International Industrial Convention 2011) על ידי BIOKON. יו"ר ארגון הביומימיקרי הישראלי, השתתפה בכנס מרתק זה, במהלכו ראיינה מספר ממציאים ביומימטים וקדמה את שיתוף הפעולה בין ארגון הביומימיקרי הישראלי לבין הזרוע הבינלאומית של BIOKON.

בכנס בלטו בהעדרם חוקרים ומרצים מיפן שבעקבות אסון הטבע נמנע מהם להגיע לכנס – אנו תקווה כי העם היפני ישקם את ארצו במהרה.

הכנס התמקד בשישה תחומים ביומימטים שונים: אוטומציה, מבנים, ביו-רפואה, הנדסה כימית, רובוטיקה וארכיטקטורה.

בכנס ניתנו הרצאות אורח מטעם מובילי התחום בעולם. פרופ' ברטלוט (Barthlott), ממציא אפקט הלוטוס סיפר על האפקט החדש אותו הוא מתכוון למסחר בקרוב, פרופ' Full נתן הרצאה מרתקת על רובוטיקה בהשראת מנגנוני הליכה של חרקים, פרופ' מאטק (Mattheck) הציג בצבעוניות רבה את מחקרו פורץ הדרך במכניקה של מבנים בטבע והישומים האפשריים שלהם וחוקרים רבים הציגו את מחקרם היישומי בתחומים שונים ומגוונים.

כל אחת מההרצאות בכנס הועברה על ידי שניים: חוקר התופעה הביולוגית, המבנה או התהליך ונציג מהתעשיה שהסתייע בתובנות המחקריות לפיתוח האפליקציה הביומימטית ומסחורה. שתי נקודות מבט אלו חידדו את ההצלחה הרבה של BIOKON ביצירת גשר בין התעשיה לאקדמיה ויצירת מובילות גרמנית בתחום הביומימיקרי.

בגיליון זה נסקור את פריצת הדרך בתחום קורי העכביש, פריצת דרך לה חיכינו שנים רבות, נתאר את פועלה המרתק של חברת פסטו (Festo) בתחום הביומימיקרי, את הפתרון הסביבתי של פרופ' Mirtsch למבנה המקנה חוזק, ואת הפרויקט המרתק החדש של פרופ' ברטלוט - הפעם בנושא תעבורה ימית.

באיחולי חג חרות שמח!
קריאה מהנה,
צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי

הקשר בין זנב הדג וביצי שוקולד


רובוט חדשני המבוסס על המבנה הגמיש של זנב הדג מאפשר איסוף פריטים בעלי שונות מורפולוגית ורגישות ללחץ תוך הפחתת הבלאי בתהליך האיסוף בצורה משמעותית.

חברת פסטו (Festo), הינה חברה משפחתית המעסיקה כ- 13,500 עובדים ברחבי העולם, מעורבת בלמעלה מ-200 תעשייות שונות עם מחזור של 1.7 מליארד אירו בשנה. בין היתר, החברה עוסקת באוטומציה של תהליכים לתעשיות השונות ופרוסה במדינות רבות ברחבי העולם, כולל בישראל.

ראיינו את מנהל קבוצת התכנון בחברת פסטו, מר מרכוס פישר, אשר סיפר לנו על מחויבותה של החברה לפעילות בתחום הביומימטי. לפני שש שנים, נפגש מר פישר בכנס זה, עם חוקרים מתחום הרובוטיקה. המפגש הוביל לשיתופי פעולה במחקר ופיתוח של מספר יישומים רובוטיים מבוססי ביומימיקרי. החברה חרטה על דגלה את נושא החדשנות בהשראת הטבע ועובדת בשיתוף פעולה הדוק עם האקדמיה בחיפוש אחר פתרונות ביומימטים לאתגרים בפניהם החברה עומדת. כחלק מחזונה של החברה היא תומכת בסטודנטים ובמחקר בסיסי אותו ניתן להפוך למחקר יישומי ולמוצר.

בכנס שהתקיים החודש, החברה הציגה מוצרים שהגיעו לשלב המסחור וכאלו הנמצאים במחקר ופיתוח.

אז איך כל זה קשור לביצי שוקולד? כל מי שמטייל באירופה או ארה"ב בימים אלו חש את מתקפת ביצי השוקולד המאפיינת את חג הפסחא הנוצרי –האם חשבתם לרגע איך מעבירים כל כך הרבה ביצי שוקולד למגשי המכירה ללא פגיעה במבנה העדין של ביצי השוקולד ובמינימום בלאי?

מסתבר שאחת הבעיות בתחום החקלאי, אבל גם בעולם השוקולד היא מיון של פרטים בעלי שונות מורפולוגית מצד אחד ורגישות ללחץ מצד שני. הרובוטים הייעודיים האוספים (אוספנים) הקיימים היום, בדרך כלל מותאמים לגודל הממוצע של המוצר ובמוצרים עדינים כמו פקעות הצבעונים, פירות שונים וכמובן ביצי שוקולד, הבלאי מתהליך זה יכול להיות משמעותי.

התמונה באדיבות חברת Festo

בתחילה פיתחו בחברה את ה – FinAry המבוסס על המבנה של זנב הדג. מבנה הדג גמיש מאוד וביצירת לחץ מתקפל לכיוון מקור הלחץ. תופעה זו איפשרה לפתח את האוספן הראשון המבוסס על חומר דק וגמיש המתקפל לכיוון מקור הלחץ.
שילוב של שלושה מבנים שכאלו אפשר את פיתוחו של ה- FinGripper, רובוט אוספן החובק את הפרי או המוצר בעדינות. לרובוט זהשלושדרגות חופש וטווח תנועה של 30 מעלות - בהתבסס על טווח התנועה של מפרק היד האנושית. אודות להתאמות המבניות, למשקל הנמוך, החומרים הגמישים וטווח התנועה, הממשק בין המכונה לבין האדם בפס הייצור לא מהווה יותר בעיה בטיחותית. מעבר לכך, חיקוי מבנה זנב הדג תרם להורדה של 80% במשקל ידית ההובלה של הרובוט וכמובן לחיסכון אנרגטי בעקבות כך.

הרובוטים הללו, כבר נמכרו לשימושן של חברות הולנדיות המטפלות בפקעות הצבעונים למשל וגם במיון ביצי השוקולד ואיסופן למגשי המכירה - כדי שאנחנו נוכל לקלף את העטיפה ולאכול ביצת שוקולד שלמה שלא ניזוקה בתהליך האיסוף.

עוד מחברת פסטו – חדק הפיל בשירות הרובוטיקה


בנוסף לאחיזה העדינה של המוצרים השונים, החברה זיהתה גם את הצורך בהעברתם בעדינות וביעילות בין תחנות שונות ברצפת היצור, תוך שמירה על בטיחות העובדים בסביבה.

כדי להשלים את מערכת האוספן פיתחה חברת פסטו ידית הובלה על מנת לאפשר תנועה עדינה ומדוייקת של האוספן ברצפת הייצור. את ההשראה לידית זו קיבלו בפסטו מהחדק של הפיל.

טווח התנועה הנרחב של חדק הפיל ועדינות תנועת החדק על אף גודלו ומרחקו מהראש, נתנו השראה לפיתוח ידית ההובלה של האוספן.

התמונה באדיבות חברת Festo
מערכת פנאומטית בשילוב עם מכטרוניקה (חקר האוטומטים) מהוות את הבסיס הטכנולוגי ליישום עקרונות הפעולה של חדק הפיל. מערכת ידית ההובלה שפותחה מקיימת אחת עשרה דרגות חופש המיושמות, דבר המאפשר כיוונון מותאם של המערכת למשימה מסוימת, אשר, בניגוד למערכות קונבנציונליות, מערכת ידית ההובלה לא מוגבלת לתנועה לינארית בלבד. במערכת משולבים חיישנים המזהים ומנטרים את מסלול התנועה ומתאימים את תנועת המערכת למצב הסביבה. האוספן המחובר לידית ההובלה מאפשר את המיון או השינוע של אובייקטים רגישים ואפילו תהליכי הרכבה עדינים.

אז עם הראש של הפיל והזנב של הדג חברת פסטו יכולה לרשום לעצמה הישג מסחרי ולתת השראה לחברות נוספות לאימוץ תהליכי פיתוח ביומימטיים ככלי לפתרון בעיות ומקור לחדשנות.

אפקט הסלביניה

בהמשך לידיעה מגליון מאי על אפקט הסלבינה, פגשנו בכנס את פרופ' ברטלוט אבי "אפקט הלוטוס" ו"אפקט הסלביניה" אשר הביא מחידושיו בכנס זה. מתסבר, שאותה תכונה "סופר-הידרופובית" (דוחה מיים בצורה קיצונית) שתוארה לראשונה על-ידי פרופ' ברטלוט, קיימת במבנים נוספים בטבע ובעלת פונקציונליות שונה לאורגניזם שונים. "העכביש הדייג" למשל, מצליח לשחות במים במסע הדייג שלו ולהשאר יבש מתחת לפני המים בהתבסס על שכבת הגנה סופר הידרופובית המצפה אותו. אותה תכונה סופר הידרופובית קיימת גם בשרך המים מסוג סלביניה (Salvinia). שרך זה באמצעות מבנה ייחודי המאופיין בשערות אלסטיות בעלות מרווח כולא אויר ושכבה שעוונית דוחת מים, מצליח ליצור שכבת אויר יבשה - בתוך המים.

שרך המים Salvinia
התמונה באדיבות Forest & Kim Starr
חברת אפקט הלוטוס של פרופ' ברטלוט שמה לה למטרה למסחר את הידע הגלום אפקט הסלביניה "Salvina EffectTM".

אחת האפליקציות הראשונות שנבחנה והראתה תוצאות מעודדות היא ציפוי לספינות. על-פי פרופ' ברטלוט, 70% מהאנרגיה בתעבורה ימית מבוזבז בהתמודדות עם החיכוך של הספינה. על פי התיאוריה, שכבת אויר סביב בסיס כלי השייט תוביל להורדת החיכוך ולהעלאת היעילות האנרגטית של התעבורה הימית.

המודל נבחן על ספינה בגודל בינוני ונמצא כמסייע בהורדת 10% מהחיכוך. עתה נשאר לבדוק האם במעבר לספינות גדולות נשמר יחס הורדת החיכוך ב- 10%. הורדת החיכוך של כלי תחבורה ימיים ב- 10% תוביל להעלאת הניצולת האנרגטית ולטענת פרופ' ברטלוט, המשמעות היא הורדת תצרוכת הדלק העולמית בכ- 1%!

אפקט הלוטוס מוגדר כאחת מ-12 ההמצאות המרתקות של גרמניה בחמישים השנים האחרונות והוביל לכ- 200 המצאות שונותומוצרים שונים כמו צבע לבתים, ציפוי לגלגלים ואפילו בדים שמתנקים מעצמם. האם ל"אפקט הסלבינה" עתיד דומה?

מה בין הצב למכונת הכביסה?

המבנה המאפיין את שריון הצב מאפשר צמצום משקל החומר מבלי לפגוע בחוזקו. מבנה זה המיושם בתעשיית הרכב תורם להפחתת משקל הרכב ולהגדלת יעילותו האנרגטית.

אם היינו סוחבים את הבית שלנו על הגב כל היום, כנראה היינו, כמו הצב, מחפשים את המבנה האולטימטיבי שמצד אחד ישמור עלינו מפני טורפים, אבנים מתדרדרות וכדומה ומצד שני לא יהיה כבד מדי. פרופ' Mirtsch אשר הגה את הרעיון של חומר חזק וקל לפני מספר עשורים הצליח להביא את היישום של החומר לשימוש בתעשיות שונות.

למעשה, הרעיון הראשוני למבנה החומר לא הגיע מהצב אלא מתוצאות בלתי צפויות שהתקבלו במהלך עבודת הדוקטורט שלו. פרופ' Mirtsch גילה שבהפעלת לחץ על מבנה גלילי, חרף מאמציו לחזק את המבנה מבפנים, הגליל מתעוות כך שנוצרים כעין משושים הדומים לשריון הצב.

חקר המבנה הנוצר, הוביל להבנה שהמבנה, הבא לידי ביטוי במקומות שונים בטבע, מאפשר את העלאת חוזקו של החומר ללא הוספת משקל או שינוי עובי החומר. כדי להפוך את התובנה הביומימטית למוצרים בשוק, מספר לנו פרופ' Mirtsch שנדרשה לו סבלנות של צב....

התמונה באדיבות Aaron Logan

המבנה הייחודי שפותח מאפשר צמצום משקל של כ- 20% מבלי לפגוע בתכונות החוזק של החומר. פרופ' Mirtsch פעל לפיתוח תהליכים שיאפשרו התאמת המבנה החדשני לתעשיית הרכב הגרמנית. תעשיית הרכב, כפי שגילה במהרה הינה תעשיה מאוד שמרנית עם תקינה מחמירה. עזרה הגיעה מכיוון בלתי צפוי - ההקשחה בתקנים הסביבתיים דחפה יותר ויותר חברות מתחום הרכב לחפש מודלים לחומרים חזקים אך קלים לשיפור היעילות האנרגטית של כלי הרכב. רכיבים בכלי הרכב המבוססים על המבנה החדשני ניתן למצוא באגזוזי מכוניות, בתומך הגב של מכונית הדיימלר וכן בתוף של מכונות הכביסה של חברת מילר.


התמונה באדיבות חברת Dr. Mirtsch
 בימים אלו החברה עובדת בשיתוף פעולה עם יצרניות המכונות החקלאיות הגדולות לצמצום המשקל והעלאת היעילות האנרגטית.

קורי עכביש לאן

קיימות עדויות לכך שכבר אלפי שנים מכיר האדם ומוכיר את תכונותיו המופלאות של קור העכביש. הדייגים מהאוקינוס השקט השתמשו ברשתות העכבישים כרשתות דייג כבר אלפי שנים.

אלפי חוקרים מנסים לפצח את סוד החומר של העכביש ובעיקר כיצד ניתן לחקות את הסופר חומר הזה המתאפיין במשקל נמוך מאוד, חוזק רב (פי 6 מפלדה) וגמישות מופלאה.


בכנס האחרון, דיווח פרופ' Scheibel על פריצת דרך בתחום מחקר קורי העכביש. במעבדתו הצליחו לפענח את המבנה המולקולרי של חמשת הביופולימרים המרכזיים המרכיבים את קורי העכביש. על בסיס המבנה המולקולרי וחקר המטען הגנטי של העכביש האחראי לייצור קורי העכביש, הצליחו החוקרים לסנתז במעבדה בשיטות של ביוטכנולוגיה (שימוש ב DNA רקומביננטי וייצור באמצעות בקטריות), את הביופולימרים המרכיבים את סיבי קורי העכביש. יכולת הייצור עומדת כיום על כ- 100 ליטר והחוקרים בשילוב עם התעשייה מקווים להצליח להגיע לייצור משמעותי של עשרות אלפי ליטרים של חומר.

בשלב זה נרשם פטנט וקמה חברת AMSilk שמטרתה לייצר לא רק את אותם ביופולימרים, אלא להצליח לסנתז את סיבי קורי העכביש בצורה מסחרית. בתחילה ליישומים כמו ציפויים וחומרים לתעשייה הרפואית.

מנכ"ל החברה, Axel Leimer סיפר כי החברה מתכוונת לצאת לשוק עם מוצר ראשון, מבוסס על הפולימרים המרכיבים את קורי העכביש תוך כעשרה חודשים.

האם עשרות שנות של ציפיה הגיעו לקיצם וסנונית ראשונה של מוצרים מבוססי קורי עכביש יגיעו לשוק?

אנחנו, בארגון הביומימיקרי הישראלי, מבטיחים לעקוב מקרוב אחר התפתחות מרתקת זו ולעדכן אתכם בהמשך.