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.

חש(נ)ות מהטבע אפריל 2011

קוראים יקרים,

אנו שמחים לבשר על הצטרפותו של ארגון הביומימיקרי הישראלי לארגון חיים וסביבה, ארגון הגג של ארגוני הסביבה בישראל. תחום הביומימיקרי מזוהה כאחד מבסיסי הידע העומדים לרשותנו כיום לקידום והנעת תהליכי פיתוח מקיימים.
הפתרונות בטבע לרוב מותאמים לסביבה, מנצלים משאבים מקומיים ומבוססים על מבנים בעלי תפקיד. תהליכי היצור בטבע מתקיימים בסביבת החיים ועל כן אינם מבוססים על חימום לטמפרטורות גבוהות, שימוש בלחצים גבוהים או שימוש ברעלנים. הפתרונות הנלמדים מהטבע הם בעלי פוטנציאל לקדם חדשנות וקיימות.
בגיליון זה נעבור בים, באוויר וביבשה ונסקור פיתוחים אחרונים בעלי ערך סביבתי. נכיר טורבינה חדשה ויעילה שפותחה בהשראת הכריש, מודל אוירודינמי המחקה את תנועת השחף ונרחיב גם על חקר מנגנוני ההדבקה של בעלי חיים. כמו כן, נעדכן אודות פיתוחים ביומימטיים אחרונים בתחום המכשור הרפואי והתרופות.

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


בברכת קריאה מהנה,

צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי

אין ארוחות חינם

מאת: יעל הלפמן כהן

טורבינה הידרואלקטרית חדשה פותחה בהשראת ה- basking shark , כריש השוחה בפה פתוח ומסנן את מזונו. המבנה המאפשר זרימה פאסיבית בחלל הפה של הכריש הועתק לטורבינה חדשה ויעילה.

חקר הבליטות הגבשושיות על סנפיר הלויתן הגבנוני כבר הובילו לפיתוח טורבינות רוח יעילות יותר. הפעם הכריש הוא מקור ההשראה לטורבינה הידרואלקטרית חדשה ויעילה.
basking shark הוא הדג השני בגודלו באוקיאנוס אך למרות גודלו הוא אינו מסוכן לאדם. כריש זה נוהג לשחות בפה פתוח על מנת לסנן מהמים זואופלנקטון (בעלי חיים זעירים המרחפים במקווי מים), דגים קטנים וחסרי חוליות. המים אשר נכנסים לחלל הפה מוצאים החוצה דרך זימים מאורכים המקיפים את ראשו.
אך גם הכריש יודע שאין ארוחות חינם. שחיה בפה פתוח מגדילה את החיכוך עם המים ומכאן גם את צריכת האנרגיה בהשוואה לשחייה בפה סגור. על מנת להתמודד עם העלות האנרגטית הגבוהה של צורת איסוף מזון זו נוהג הכריש לשחות באזורים עשירים בזואופלנקטון ומזון. מעבר להתאמה התנהגותית זו מסתבר שבגופו של הכריש קיימת גם התאמה מבנית בעלת תפקיד משמעותי בהפחתת צריכת האנרגיה בתהליך איסוף המזון.

לסת הכריש מסוגלת להימתח עד לרוחב של 1.2 מטר ובכך יוצרת הפרש לחצים בין פנים ותוך הלוע. כמו בכנפיים של מטוס בהן נוצרים הפרשי לחצים בין החלק העליון של הכנף לחלק התחתון, גם כאן לחץ המים גדול יותר בחלק הפנימי הישר של הלוע, כאשר חלקה החיצוני המעוקל מגדיל את המרחק שהמים צריכים לעבור וכתוצאה מכך הלחץ באזור זה מופחת. הפרש לחצים זה מייצר זרימה פאסיבית של מים בלוע הכריש דרך הזימים ומאפשר לכריש להתמקד במשימת סינון המזון מבלי לבזבז אנרגיה מיותרת בשחייה.
הקונספט התכנוני שהועתק הוא טורבינה בעלת מערכת פתחים כפולה- פתח בתוך פתח. המים נכנסים לטורבינה דרך הפתח הראשון, והפתח השני, כמו הזימים בכריש, דוחס את המים ויוצר אזור של תת לחץ דרכו עוברים המים ליצירת יותר אנרגיה.
הקונספט התכנוני הוצע על ידי אנתוני ריל, סטודנט לעיצוב תעשייתי, אך כבר הספיק להיבחן באוניברסיטת מישגן במעבדה להידרודינמיקה ימית. המודל העשוי רובו מעץ אמנם לא שרד את 200 שעות מבחן, אך התוצאות הראו שיפור בתפוקת הכוח של להב בודד בכ- 40% יחסית לטורבינות אחרות.
לאחר שנרשם פטנט, זוהו מספר אפליקציות מסחריות לטכנולוגיה זו כמו התקנים ניידים לטעינת מוצרים חשמליים בשטח ועד להבים משופרים לגנראטורים חשמליים לשימושים תעשייתיים.
לקריאה נוספת


לעוף כמו ציפור – 521 שנות מחקר ופריצת דרך בחברת פסטו.

לאונרדו דה- וינצ'י התחיל את המסע המרתק לעבר חיקוי תעופת ציפורים ב 1490. בשנת 2011, המהנדסים מחברת פסטו , עשו היסטוריה ושחררו לאוויר את ה-SmartBird, מודל המפענח את תעופת הציפורים, תוצר של תוכנית הלמידה הביונית של החברה (Bionic Learning Network ).
אחד החלומות העתיקים של האדם הוא לעוף כמו ציפור. לא פחות מרתקת אותנו יכולתן המדהימה של הציפורים להמריא, לעוף ולהתמודד עם התנגדות אויר רק באמצעות כוח השרירים. הטבע בגאוניותו הגיע לשילוב של יכולת עילוי מצד אחד והנעה מצד שני על ידי שילוב אופטימלי של מבנה ופונקציה. החיישניים של הציפורים מאפשרים מדידה וויסות תנועה באוויר ברציפות ובאופן אוטונומי כדי לשרוד, לפעמים לאורך אלפי קילומטרים בעונת נדידה אחת.
בחברת פסטו פענחו את תעופת הציפורים. מודל ה SmartBird שפותח בחברה "ממריא", עף ונוחת באופן אוטונומי, ללא מנגנון הנעה נוסף. הכנפיים לא רק נעות מעלה ומטה אלא אף נעות בזויות שונות על ידי מפרקים סיבוביים המאפשרים יעילות רבה מאוד בתעופה. מודל ה- SmartBird הוא מודל אווירודינמי, קל במיוחד ובעל יכולת תעופה מרשימה המחקה את תעופת השחף. ה SmartBird לא רק ממריא עף ונוחת אלא מסוגל בתנאים שונים גם לדאות ולשייט באוויר.

                                             © Festo AG & Co. KG
המחקר שהוביל לפריצת הדרך הטכנולוגית המתבטאת ב SmartBird נשען על מחקר ופיתוח קודם מקבוצת המחקר הביונית של חברת פסטו. ה- AirRay  וה- AirPinguin היוו בסיס ניסויי למהנדסים של פסטו בתהליך המחקר והפיתוח. השימוש בחומרים קלים מאוד בשילוב עם שלד מבני קל ויעיל אפשרו את בניית מודל השחף, בעל היעילות האנרגטית גבוהה.
האפליקציות האפשריות הן רבות ומגוונות. החל משימושים מודיעיניים, סיוע במיפוי אזורים נרחבים וצילום אווירי של אזורי אסון. אך גם למרכיבים שונים במודל, כגון מבנה התנועה היעיל, מכלולי ההנעה והאוטומציה, החומרים, המחברים והמפרקים הרובוטיים שפותחו במהלך הנדסת ה SmartBird יכולות להיות אפליקציות שונות בתחומים רבים.
אם בימים רחוקים היינו אומרים שתמונה שווה אלף מילים. היום, אנו ממליצים בחום לצפות בסרטון הבא, של ה SmartBird - השחף המלאכותי של פסטו בתעופה.

למידע נוסף


בשבח האיטיות

מאת: נדב זיו

מחקר חדש שחשף את אופן תנועת החלזונות עשוי לתרום לבניית רובוטים ביומימטיים רפואיים

חלזונות הינם שם דבר לאיטיות. בממוצע הם מתקדמים במהירות של 7 ס"מ לדקה, ויחד עם זאת, חוקרים מרחבי העולם מוצאים סיבות טובות ללמוד את אופן זחילת החילזון.
ידוע כי חלזונות מניעים את עצמם על ידי יצירת סדרות של פולסים שריריים ברגלם. גלים אלו נוצרים מכיווצים והרפיות הנעים לאורך הציר המרכזי של גופם מכיוון הזנב אל הראש. הגלים נעים במהירות גבוהה בהרבה משאר הגוף ובכך יוצרים מספיק כוח לדחוף את החילזון קדימה. במחקר נמצא כי תנועות אלו מסוגלות להניע את החילזון ללא הריר רק על משטח חלק ואופקי. בכל הנוגע לתנועה על קיר או תקרה, לריר יש פונקציה חשובה בהצמדת החילזון אל המשטח.
לצורך המחקר, החוקרת ג'ניס לאי מאוניברסיטת סטנפורד, צילמה את החלזונות נעים על משטח שקוף המאפשר לקרני לייזר המוקרנות בזויות שונות למדוד את כיוון וגודל תנועות שרירי הרגל. בנוסף היא מדדה את הלחצים במהלך תנועת החילזון כשהוא נע על ג'ל. מידת הלחץ המופעל על הג'ל קובעת את מידת העיוות בצורתו. בעזרת מדידות אלו היא הצליחה להעריך את מידת הלחצים שהחילזון מפעיל בתנועתו. נמצא כי הדבר המיוחד בתנועת החלזונות הוא שהם לא מפעילים לחץ על נקודות מסוימות כמו בעלי רגליים, אלא מפזרים לחצים נמוכים מאוד על פני שטח יחסית גדול.



כיצד יכולה חיה עם רגל אחת ללכת על דבק?
תכונותיו המיוחדות של ריר החילזון ידועות מזה שנים רבות. ריר זה הינו נוזל המכונה 'נוזל לא-ניוטוני' (נוזל לא-ניוטוני הוא נוזל שתכונות הזרימה שלו לא ניתנות לתיאור על ידי ערך קבוע של צמיגות. בתנאי לחץ שונים נוזל כזה יכול להתנהג כמוצק או כנוזל). הריר מאפשר לחילזון גם להידבק למשטח וגם לנוע עליו, עקב שינוי מאפייניו הנובעים ממידת הלחץ שמפעיל החילזון. מלכתחילה, הריר פועל כחומר דבק חזק המצמיד את החילזון למשטח. אולם, כאשר רגל החילזון לוחצת בעוצמה מספיקה את הריר, הוא הופך להיות נוזלי ומאפשר לחילזון להתקדם בו כשהוא נע על רצפה (אופקית) או קיר (אנכי) ואפילו הפוך על התקרה.
מעבר למידע החדש שנלמד לגבי אופן תנועת החילזון, מחקר זה עשוי לעזור בבניית רובוטים ביומימטים בעלי תכונות שלא קיימות במכשור רגיל. רובוטים כאלו שכבר נמצאים בתהליך פיתוח במכון הטכנולוגי במסצ'וסטס (MIT) מסוגלים לנוע על קירות מעלה ומטה. דוגמה נוספת לשימוש בצורת התקדמות החילזון היא עבור טיפולים רפואיים בתוך הגוף. חוקרים מאוניברסיטת טוהוקו (Tohoko) מיפן בונים אנדוסקופ (מכשיר המשמש רופאים להתבונן בתוך הגוף- בקנה הנשימה, במעיים ועוד) אשר נע כמו חילזון, תוך שימוש בשכבת הריר המצפה צינורות אלו. מנגנון התקדמות זה יוצר חלוקת לחצים נמוכה במקום הפעלת לחץ בנקודות מסוימות, פעולה אשר תפחית גירוי ואף נזק גופני הנגרם בעת הכנסת אנדוסקופ כיום.

למידע נוסף


מנגנוני הדבקה בבעלי חיים

מאת: מאיה גבעון
צמד חוקרים מאוניברסיטת קיימברידג' שבאנגליה פיתח שיטת מדידה המאפשרת הבנה טובה יותר של מנגנוני ההדבקה בבעלי חיים שונים, ומקרבת את האנושות צעד קטן נוסף אל עבר היום בו נוכל לטפס אנכית על הקירות...

היכולת המופלאה של בעלי חיים רבים ושונים לטפס ללא מאמץ נראה לעין על משטחים אנכיים ואפילו להיתלות במהופך מבלי ליפול עוררה את סקרנות האדם משחר ההיסטוריה, אך רק בשנים האחרונות החלו מדענים לחקור לעומק את המנגנונים והמבנים המאפשרים זאת. מדובר, למעשה, בשילוב של שתי יכולות מנוגדות: מחד – יכולת הדבקה, כלומר אחיזה חזקה ויציבה במשטח במינימום מאמץ. ומנגד- יכולת ניתוק מהיר של האחיזה על מנת לאפשר תנועה ללא הגבלות.
על אף שיכולת זו התפתחה במגוון רחב של בעלי חיים השונים מאוד זה מזה (חיפושיות, עכבישים, עשים, לטאות, צפרדעים ועוד) נראה שרובם מתבססים על מספר מצומצם של מיקרו-מבנים בסיסיים בקצות הרגליים של בעלי החיים המאפשרים את ההדבקה.
באופן כללי, הטבע מתבסס על מבנים חלקים, המכוסים בתאי אפיתל רך, או על מבנים שעירים. ברגלי חיפושיות לדוגמא, מבנים אלה כוללים שלוש צורות עיקריות של שערות מיקרוסקופיות (מכונות setae): בעלות קצוות מחודדים, קצוות שטוחים, וקצוות דמויות דיסק. עד כה, בשל גודלן המיקרוסקופי של השערות, לא ניתן היה לנתח לעומק את מנגנון פעילותן.



צמד החוקרים בולוק ופדרל (Bullock and Federle) פיתחו טכניקה למדידת כושר ההדבקה של כל שערה בנפרד, בעודה על גוף בעל החיים (in vivo). החוקרים נעזרו בתומכת זכוכית מיקרוסקופית, ומדדו תחת הגדלה את מידת הסטייה של התומכת לאחר ניתק השערה ממנה. מנתון זה חישבו את הכוח שנדרש לניתוק השערה – ומכאן למעשה את כושר ההצמדות של השערה למשטח. באופן זה התגלה כי לשערות בעלות הקצה דמוי הדיסק כושר ההצמדות הגבוה ביותר, ואילו לשערות בעלות הקצה המחודד כושר ההצמדות הנמוך מבין שערות ההצמדות ברגלי חיפושיות.
למרות ההתקדמות, עד הרגע שבו יהפוך הידע הזה לטכנולוגיות ויישומים זמינים נותרו לא מעט שאלות פתוחות. חוקרים צריכים עדיין להבין את התנהגות המנגנון ברמה של אזורים שלמים (להבדיל משערה בודדת), אופן ה"ניהול והפיקוח" עליהן, סנכרון הפעולה, וכן שאלות הקשורות לפיצוח המבנים המדויקים שמקנים את יכולת הטיפוס המיוחדת. נשוב ונעדכן אתכם בהתפתחויות!

למידע נוסף


שחרור מבוקר של תרופות –כמו שהטבע יודע

סייעה בהכנת הידיעה: לירון דן

מהנדסים וכימאים מאוניברסטאת פנסילבניה שבארה"ב מובלים שיתוף פעולה בין לאומי ליצירת ספריית "ביו-חומרים" סינתטיים אשר מחקים את ממברנת התא. חומרים אלו, מאמינים החוקרים, הם ההבטחה הגדולה בתחום המתפתח של הננו- רפואה  (nanomedicine), ליישומים רפואיים בתחום של שחרור מבוקר של תרופות, הדמיה, דיאגנוסטיקה ואפילו קוסמטיקה.

בעולם פיתוח התרופות, אחד האתגרים הגדולים הוא הובלת התרופה לאיבר המטרה באופן מדוייק. שחרור מדויק של תרופה לאיבר החולה יאפשר הגדלת המינון מצד אחד ומצד שני צמצום משמעותי בחשיפת איברים בריאים לתרופות מן החוץ וכן לצמצום תופעות הלואי מצריכת תרופות.
הצצה לפעילות מחקרית מרתקת בתחום זה המשלבת חיקוי מבנה טבעי מתאפשרת אודות לשיתוף פעולה בין דיסיפלינות שונות.
המחקר מתאר את המבנה, ה"ארגון העצמי" בתהליך הבניה והתכונות המכאניות של קומפלקסים ממברנאליים נוספים בתחום הננו הנוצרים מה- Janus dendrimers (הקומפלקסים הממבראנליים מאופיינים בקצה "אוהב מים", הידרופילי, ובקצה "שונא מים" הידרופובי ולאור זאת בעלי מבנה ייחודי בסביבה המימית).
קומפלקסים דו-שיכבתיים אלו שנמצאו יציבים נוצרים באופן ספונטאני מהרכב מדויק של Janus dendrimers. צוות החוקרים דיווח על כמות עצומה של משפחות של קפסולות בעלות גודל אחיד. קפסולות אלו נמצאו יציבות לאורך זמן בממסים שונים וניתנות להתאמה לחומרים שונים על ידי טמפרטורה וכימיה. יציבותן הגבוהה של הקפסולות וגודלן האחיד מאפשר יצירת קפסולות להולכת חומרים שונים, אשר אינן חדירות לחומרים מורכבים.

Dendrimers
פרופ' Virgil Percec המוביל את שיתוף הפעולה הבינלאומי בתחום זה, יחד עם עמיתיו בעולם הצליחו לחקות את מבנה ה Janus dendrimers על ידי שילוב כימי מוצלח של מולקולות הידרופיליות והידרופוביות ברמת התאמה מורפולוגית גבוהה כפי שנצפה במיקרוסקופי אלקטרוני.
ההבטחה הגדולה של החומרים הללו היא מאחר והם בגודל של הממברנות הדו- שיכבתיות הטבעיות מצד אחד אך ניתן להנדס אותן ולהתאימן לנשיאת חומרים שונים בסביבות שונות. דקיקות הממברנה מאפשרת החדרה קלה יותר של חומרים לתוכן כדוגמת רצפטורים ותעלות ממברנליות שונות.
היתרון הגדול של מבני ה Janus dendrimer על נשיאת תרופות באמצעות ליפוזומים וטכנולוגיות אחרות היא ביציבותן הרבה של המבנים בסביבה כימית משתנה, גודל המבנה האחיד והביוקומפטביליות של המבנה.
"ייצור עצמי" של ננו-מבנים, המחקים את המערכת הממברנלית הביולוגית יאפשרו שחרור מבוקר של תרופות, חומצות אמיניות, חלבונים, הדמיה ועוד. האתגר לחוקרים הוא ייצורם של ננו מבנים אשר יהיו בעלי תפקיד פונקציונאלי ובטוח בנשיאת תרופות לאברי המטרה.

למידע נוסף