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.

הגנה ביולוגית בהשראת הצפרדע



צפרדעים מסוגים שונים ידועים ביצירת מבני קצף דמוי מרנג המסייעים בהגנה על צאצאיהם בשלב המעבר מביצים לראשנים. למרות מראם העדין, קינים אלו חזקים מאוד. חומר ביולוגי מרתק זה עמיד לשמש, זיהומים ולפרזיטים למשך ארבעה ימים עד שהראשנים עוזבים את הקן. בנוסף, הקצף אינו פוגע בביצי הצפרדעים ומגן עליהם מפני הסביבה. עד לאחרונה לא היה ידוע כיצד נוצר קצף זה.
חוקרים מסקוטלנד הציבו מצלמות שעקבו אחר זוג צפרדעים בטרינידד וזיהו שלושה שלבים בתהליך הבניה של הקצף:
בשלב הראשון הזכר יושב על גב הנקבה ושם את רגליו מתחת לרגליה למשיכת נוזל. הזכר תוך כדי בעיטות מכניס בועות אוויר לנוזל לצורך הקצפתו. בשלב השני הנקבה משחררת את הביצים. הזכר מעביר בזהירות את הביצים למרכז הקצף. בשלב השלישי נוצר המרנג. הצפרדע מתחיל להאט והזמן בין תקופות הערבוב גדל עד שהקן מושלם.
התכונות האנטיבקטריליות של הקצף בשילוב עם העובדה שהחומר אינו פוגע בתאים יאפשר יצירת קצפים ביולוגים לשימוש באפלקציות רפואיות, כמו טיפול ראשוני בפציעות וכוויות בזירת הארוע.
בלינק המצורף ניתן לראות את הסרט שצולם על-ידי החוקרים.

חדש(נ)ות מהטבע יוני 2011

קוראים יקרים שלום,
כשאנחנו מדברים על ביומימיקרי עם ילדים, בני נוער, סטודנטים ואנשים מהתעשיה – זה הרבה מעבר לשיחה על הפוטנציאל האדיר הגלום בטבע לפיתוח חדשנות סביבתית. שיחה על ביומימיקרי תוך תאור הפתרונות הגאוניים של הטבע, טומנת בחובה גם הכרה בחשיבותם של המינים השונים הקיימים סביבנו. כשאנו מתארים את המחקר בנושא שיחור מזון בנמלים שהוביל לפיתוח אלגוריתמיקה לתחום התקשורת, פתאום המשפט "לך אל הנמלה עצל, ראה דרכיה וחכם..." מקבל משנה תוקף ומחדד את חשיבות השמירה על מגוון המינים - כל המגוון.
גליון זה, כגליונות קודמים, מתאר מחקרים ביומימטים בתחומים שונים. נתאר את מנגנון הנשימה של עין הציפור, יכולת ההסוואה המופלאה של הדיונון, איסוף המים של החיפושית הנמיבית ומחקר ישראלי-קנדי  העוסק בתעופת ציפורים.
בהזדמנות זו אנו רוצים לברך את חברת InterfaceFLOR על זכייתה בפרס ה- Guardian לאיכות הסביבה. הפרס ניתן לחברה על שינוי צורת חשיבה שהוביל למציאת פתרונות ביומימטים ואחרים לאתגרים סביבתיים ועסקיים.

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

ביומימיקרי ברצפת היצור

חזון סביבתי ונחישות לעמידה ביעדים סביבתיים ועסקיים זיכו בחודש האחרון את חברת אינטרפייספלור (InterfaceFLOR) בפרס Guardian Sustainable Business waste and recycling award היוקרתי.

בשנת 1995, חברת אינטרפייספלור (InterfaceFLOR), המתמחה באריחי שטיחים, לקחה על עצמה משימה להמנע לחלוטין מהשפעה מזיקה על הסביבה עד 2020. מייסד החברה והיו"ר Ray Anderson החל לפעול בנחישות לשינוי המודל העיסקי של החברה ממודל של "חומר גלם, ייצור, פסולת" ("take, make, waste") למודל עסקי ידידותי לסביבה.
אחת הבעיות בשטיחים לבנייני משרדים היא התאמת הגוון בעת החלפה או תיקון. מכיוון שלכל סדרת שטיחים גוון מסוים בעת החלפה או תיקון יש להתאים את הגוון או להחליף אזור שטיחים נרחב, תהליך המייצר פסולת רבה.
על מנת להתגבר על סוגיה זו, עובדי החברה יצאו לקבל השראה במקומות שונים בעולם וכמובן גם בטבע. צוות הפיתוח של החברה הסתכל על עלי השלכת, אשר מכסים משטחים נרחבים, אינם הומוגנים אך בעלי מופע אסתטי ומרהיב.


בהשראת עלי השלכת, מעצבי השטיחים בחברה פיתחו את קו שטיחי האנתרופיה. אריחי שטיח לא אחידים המונחים באופן אקראי ליצירת מראה אסטטי בדומה לפיזור האקראי של עלי השלכת בעלי הגוונים השונים. העיקרון המארגן של פיזור כאוטי מבטל את הצורך באחזקת מלאים של סדרות ייצור למטרות תיקון ואחזקה, מקצר את זמן ההתקנה ומספק מראה הרמוני ואסתטי. בתהליך הייצור עצמו של סדרה זו יש פחות פסילות ושאריות משום שגם פגמים קלים אינם פוגמים במראה ההרמוני ועל כן לא נפסלים. ביטול הצורך בניהול סדרות יצור והיכולת להתקין שטיחים מסדרות שונות אצל אותו לקוח  גרר ירידה בכמות הפסולת והשאריות ב-50% בהשוואה לסדרות מוצרים אחרות בהן כל אריחי השטיחים זהים.
דרך נוספת לצמצום ההשפעה הסביבתית שתרמה לזכיית החברה בפרס, היא ההבנה, שכמו בטבע, גם בעולם העיסקי, חומרי הגלם צריכים לשוב למעגל החומר על מנת לשמש מחדש כחומרי גלם. החברה פתחה בקמפיין לאיסוף שטיחים לאחר השימוש. את השטיחים שהחברה אוספת היא מפרקת לחומרי הגלם ויוצרת שטיחים חדשים. בדרך זו חסכה הטמנת פסולת שטיחים בהיקף של 91,000 טון! לא רק שהחברה חסכה בחומרי גלם לתהליכי הייצור החברה היא אף סייעה ללקוחותיה לצמצם את כמות הפסולת שלהם.
הטמעת תהליכים נוספים בנושאי אנרגיה ומים הובילו לירידה של 80% בנפח הפסולת של החברה ולחסכון של 433$ מליון דולר!

חזונה של אינטרפייספלור הוא עולם ללא פסולת שטיחים – עולם בו מערכת הייצור מעגלית ושטיחים משומשים חוזרים למעגל החומר ומזינים את מערכת הייצור של שטיחים חדשים בדיוק כפי שבטבע הפסולת של האחד היא המזון של האחר במעגל החומר. על חזונה זה של החברה והשגה עיקבית של יעדי שמירת הסביבה המחמירים מאוד ששמה לעצמה, הוענק לחברה פרס Guardian Sustainable Business waste and recycling award  היוקרתי.
למקור הידיעה:

לשתות מהאוויר– חיפושית המדבר הנמיבי

מאת: מאיה גבעון

לאור המחסור החמור במי שתייה זמינים ונקיים לאדם, נעשים נסיונות שונים ורבים לנצל מים נקיים במקומות צחיחים. אחת הדרכים היא לנסות ולנצל את מי הטל והערפילים – אדי מים שיכולים לסייע לאוכלוסיות מבודדות להנות ממים נקיים.
על פי הערכת ארגון הבריאות העולמי, כ-900 מיליון בני אדם ברחבי העולם חיים ללא מי שתיה זמינים במקום מגוריהם. מקורות שונים מעריכים כי בין מליון וחצי לחמישה מליון בני אדם נפטרים מידי שנה כתוצאה משתיית מים מזוהמים. עם שינויי האקלים, אלפים רבים נוספים צפויים להקלע אף הם למצוקת מים.
לא מפליא איפה, כי הנסיונות "לקצור ערפל" (fog harvesting) – או, למעשה, לעבות מי שתיה מאדי מים הנישאים באוויר, מעסיקים חוקרים ברחבי העולם כבר כעשרים שנה, בחיפוש אחר פתרון שיתאים לשימוש אנושי יומיומי. מחקר שפורסם בשנת 2001 אודות החיפושית  Stenocara gracilipes שמכונה גם חיפושית המדבר הנמיבי, חשף לעולם מודל השראה חדש, ובעקבותיו הוגברו המאמצים בתחום זה.
התמונה באדיבות Hans Hillewaert
החיפושית, פיתחה פיתרון יחודי המאפשר לה לשרוד בתנאי יובש קיצוניים (כארבעים מ"מ גשם בשנה בלבד) במדבר נמיביה שבמערב אפריקה: שריון הכנפיים שלה מכוסה גבשושיות מחומר הידרופילי (מושך מים) המוקפות במעטה שעווה (חומר הידרופובי- דוחה מים). מבנה זה גורם לאדי מים להיקשר אל הגבשושיות ולהאסף עליהן, עד אשר הטיפה כבדה מספיק בשביל להתנתק מכח המשיכה של הקישור ההידרופילי, ולהתגלגל על גבי הכנף אל פה החיפושית.
החיפושית הנמיבית הינה מקור ההשראה העיקרי למחקרו של שיראנג צ'אטרה (Shreerang Chhatre ), דוקטורנט מהמכון הטכנולוגי במסצ'וסטס (MIT), לקראת פיתוח פיתרון טכנולוגי ישומי לקציר ערפילים. לדבריו, הפיתוחים הראשונים ניסו לחקות את המבנה המדויק של שריון החיפושית ויצרו משטחים אטומים לחלוטין. הנסיונות הראו, כי מה שמתאים לחיפושית, אינו מתאים לקנה המידה האנושי. כדי לשתות, החיפושית נעמדת מול הרוח בזוית של ארבעים וחמש מעלות, ופורשת את הכנפיים כדי לתפוס את אדי המים מהאוויר. טכניקה זו מאפשרת לחיפושית לאסוף מיקרו-ליטרים של מי שתייה. בקנה מידה אנושי לעומת זאת, המשטח האטום יוצר התנגדות חזקה מידי לרוח, ופוגם ביעילות המתקן, שנדרש להספק גדול בהרבה מבחינת כמויות המים הנאספות. לפיכך, פיתוחים חדשים יותר של המתקן כוללים משפך דמוי רשת מחומר חדיר למחצה שמפחית את התנגדות המתקן לרוח וכן כלי קיבול לאיסוף המים.
במספר ניסויים שנעשו, "קוצרי ערפל" כאלה הצליחו לאסוף ליטר מים ממטר מעוקב אחד של מתקן רשת במהלך יממה. על פי צ'אטרה וחוקרים נוספים, פוטנציאל האיסוף עודו גבוה מהתוצאה הנוכחית והם עובדים על שיפור יעילות המתקן. זהו מקרה נוסף בו האורגניזם מראה את הכיוון לפיתוח הטכנולוגי, אך את המרשם המדויק עלינו למצוא בעצמנו.
מקור הידיעה

האם הדיונון יאפשר לפתח את מערכת ההסוואה המושלמת?

מאת: נדב זיו

פרויקט שאפתני הכולל קבוצות מחקר המתמחות בננו-אופטיקה, הנדסת חומרים וביולוגים ימיים, מנסים לפתח חומרים היכולים לזהות, להשתנות ולהגיב לסביבתם במהירות עצומה. מקור ההשראה לפיתוח זה הוא הדיונון הנחשב כאשף ההסוואה.
דמיינו חייזר שמסוגל לרחף במקום, בעל שמונה זרועות היוצאות מראשו ושלושה לבבות המפמפמים את דמו הכחול...

החייזר הזה חי על כדור הארץ והוא נקרא- דיונון (cuttlefish). הדיונונים אינם דגים אלא שייכים לקבוצת הרכיכות קרובי משפחה של החילזון והתמנון. ללא קונכיה שתגן עליהם הם מהווים טרף קל- ארוחה עשירה בחלבונים בסביבה המאיימת של הים. ברגע שהם נתפסים אין להם מנגנוני הגנה ולכן הם פיתחו קו הגנה יוצא מהכלל וזו ההסוואה. אין חיה על כדור הארץ שמשתווה למהירות ואיכות ההסוואה שלהם- התאמה לסביבתם בחלקיק שנייה. הם יכולים לשנות צבעים, דפוסים ואף את צורת העור שלהם. הם יכולים להפנט את הטרף שלהם ואז להפוך לבלתי נראים.
כדי להתאים עצמם לסביבתם, לדיונונים עיניים גדולות והן מעבירות את המידע הויזואלי אל מוחם הענק ומשם יוצאות פקודות עצביות ישירות אל התאים בעורם. זוהי הדרך המהירה ביותר לשינויי צבע בשבריר שנייה.
ככל הנראה מוחם כה גדול בגלל הצורך ביכולת עיבוד מהירה של תנאי סביבה משתנה ופיקוד באמצעות רשת עצבים סבוכה מהמוח על למעלה מ 20 מיליון תאי פיגמנט בעור.

העור החכם הזה התפתח, ככל הנראה בתחילה, עבור הסוואה היות שהדיונונים חיים חשופים ללא קונכייה. בהמשך נוצרו לעור תפקודים נוספים עבור תקשורת עם דיונונים אחרים ואף דפוסי שינויי צבע מהירים אשר מהפנטים את הטרף שלהם (בעיקר סרטנים ודגים קטנים).
התמונה באדיבות Nhobgood Nick Hobgood
ד"ר רוג'ר הנלון (Roger Hanlon, Marine Biological Laboratory, Massachusetts) החוקר את הדיונונים כבר כשלושה עשורים הצליח לחשוף את מנגנון שינוי הצבע שלהם. לדבריו הסוד טמון במבנה עור בעל מספר שכבות. שלושת השכבות העליונות הם תאים בעלי פיגמנטים (צבענים). בשכבה הראשונה תאים בעלי פיגמנט צהוב, בשנייה פיגמנט אדום ובשלישית פיגמנט חום. תא פיגמנט אחד מכיל כדור צבע קטנטן והוא אחוז על-ידי שרירים דקים  בהיקפו. כאשר השרירים רפויים, הכדור קטן ובלתי נראה, אולם, כאשר השרירים האוחזים בו מתכווצים הכדור נמתח וגדל לצורה של דיסקית שטוחה וגדולה בצבע הפיגמנט שלה. מיליוני דיסקיות כאלו על פני העור מספקות את הצבע לעור הדיונון.
מתחת לשלושת השכבות העליונות  הללו קיימת שכבה מחזירת אור המורכבת מתאים בצבעי כחול, ירוק ורוד ואדום. השכבה העמוקה ביותר היא שכבה לבנה והיא הרקע המאפשר לכל הצבעים להיפרד או להתאחד.
בנוסף לצבעים ולצורות, עור הדיונון יכול גם לשנות טקסטורה על-ידי גידול גבשושיות בולטות המקנות לו מרקם של סלע מחוספס.

עובדה מפתיעה היא שבעוד שהעור של הדיונונים יכול ליצור את כל צבעי הקשת, הדיונונים בעצמם עיוורי צבעים (בעין שלהם קיים רק פיגמנט אחד, בבני אדם קיימים שלושה המאפשרים ראיית צבעים). יתרה מכך, הם מסווים עצמם גם בלילה בחשיכה מוחלטת, עובדה המצביעה אולי, על יכולת זיהוי הסביבה ללא שימוש בעיניים. ואכן, ד"ר הנלון ועמיתיו מצאו כי עורו של הדיונון מכיל חלבונים הנקראים אופסינים (opsins). מבנים אלו שייכים למשפחת חלבונים הרגישים לאור הקיימים בתאי הרישתית שבעיניים. חלבונים אלו מאפשרים כנראה לדיונון "לראות" בעזרת עורו ועל-ידי כך נגרמים שינויים מקומיים בעורו בהתאמה.

האם הדיונון יאפשר לפתח את מערכת ההסוואה המושלמת? ימים יגידו
למקור הידיעה

ביומימיקרי בישראל - האור בקצה המנהרה

מאת: ד"ר רועי גורקה, המחלקה להנדסה כימית, אוניברסיטת בן גוריון

חקר תעופת ציפורים במנהרת רוח באמצעות מדידות זרימה בשיטות אופטיות מתקדמות, משפר את ההבנה לגבי המעוף היעיל של ציפורים. המחקר מסייע ביצירת כלים לפיתוח ולשיפור כלי טיס ושייט אשר ינועו בצורה יעילה, מהירה שקטה וחסכונית.

מחקר רב תחומי בתעופת ציפורים מתבצע בימים אילו באוניברסיטת ווסטרן-אונטריו, קנדה. במסגרת זו, משתפים פעולה חוקרים מתחומי הביולוגיה, פסיכולוגיה, ביו-מכניקה והנדסה על מנת לאפיין ולחקור את התנהגות הפסיכולוגית, הביולוגית, הפיסיולוגית ויכולות התעופה של ציפורים העפות בגובה רב. צוות מחקר ישראלי מהמחלקה להנדסה כימית באוניברסיטת בן גוריון שותף למחקר זה.
אחת התופעות המרתקות בציפורים נודדות היא היכולת שלהן לעבור מרחקי טיסה ארוכים ללא צורך בתדלוק או חניית ביניים וכל זאת תוך כדי נפנוף מתמשך בכנפיים. העניין ההנדסי בתעופת ציפורים קשור ליעילות האנרגטית הגבוהה של תעופה זו ביחס ליעילות האנרגטית של כלי טייס שנבנו על ידי האדם. צריכת האנרגיה של ציפורים בזמן תעופה נמוכה מהצריכה התיאורטית הצפויה על פי מודלים נומריים המתייחסים למשקל הציפור, למרחק ולזמן המעוף.
במטרה לחקור את תעופת הציפורים, נבנתה מנהרת רוח ייחודית בקנדה המאפשרת טיסה חופשית של ציפורים במנהרה תוך כדי שליטה בתנאי הסביבה המאפיינים גבהים שונים כגון לחץ, טמפרטורה, לחות ומהירות.
התמונה באדיבות הדר בן-גידה, אדם קירקייפר, רועי גורקה

במנהרה זו מבצעים מדידות זרימה בשיטות אופטיות מתקדמות על מנת לחקור את הקשר בין תעופת הציפורים ומשטר הזרימה. נבחנים הכוחות האווירודינמיים: עילוי, גרר ודחף. את שדה הזרימה מודדים באמצעות מערכת המודדת את שדה המהירויות ברזולוציה מרחבית וזמנית גבוהה. מערכת זו נקראת: Long time duration, time resolved Particle Image Velocimetry. ייחודיות המערכת היא בכך שהיא מאפשרת מדידה בו זמנית רציפה במשך 20 דקות ללא הפסקה של שדה המהירות ותנועת הציפור. היכולת למדוד את האוירודנימיקה של הציפורים מאפשרת הבנה טובה יותר של המעוף היעיל של ציפורים לאורך זמן.
בקיץ 2010 בוצעו מדידות על זרזיר אירופאי, כמתואר בתמונה המצורפת. ניסוי כזה מספק מידע כמותי על אוריודינמיקת הציפור ובחינת הפרמטרים הפועלים עליה: גרר, עילוי, דחף, מהירויות הזרימה, ערבוליות (vorticity) והמאמצים המתפתחים בזורם (גזירה ולחץ) כתוצאה מהנפנוף. בקיץ הקרוב, יבוצע מדידות דומות על ינשופים.
מחקר זה עשוי לשמש כאבן דרך לתכנון מדויק יותר של מטוסים ללא טייס בעלי יעילות אנרגטית גבוהה. כמהנדסים המתמחים בזרימה ותופעות מעבר אנו מעוניינים לספק כלים ובסיס נתונים רחב על מנת לפתח ולשפר כלי טיס (או שייט) אשר ינועו בצורה יעילה, מהירה שקטה וחסכונית.
למקור הידיעה

אורגניזם החודש – נשימה עינית בציפורים

ציפורים ועופות דורסים ניחנו במערכת ראיה, ניווט וחישוב מדוייקת ומורכבת. צוות מחקר מאוניברסיטת המבורג חשף לאחרונה חלבון ייחודי ברשתית עין הציפורים האחראי לאחסון והעברה של חמצן לרשתית. ממצא חדשני זה תורם להבנת מנגנון הראייה המורכב של הציפורים.

תארו לכם עוף דורס המזהה את טרפו הזעיר ממרחק ומצליח תוך כדי תעופה לצוד אותו כשהטרף עצמו נמצא גם הוא בתנועה. עכשיו תארו לכם את אותו תהליך אך בחושך מוחלט. "מוח של ציפור" אמרתם? חישבו שנית.
עופות דורסים מסוגלים לזהות את טרפם ממרחק תוך כדי תעופה ואף להצליח לצוד את ארוחתם המהווה מטרה נעה בפני עצמה, לפעמים אפילו בחושך מוחלט. העופות פיתחו במהלך האבולוציה מנגנונים מופלאים המקנים את היכולות הללו ורובם מתמקדים בעיניים ובמערכת עיבוד האותות הראייתיים. לחלק מהציפורים יכולת ראיה בתחום העל-סגול (Ultraviolet), לאחרים בתחום התת-אדום (Infrared). יש הטוענים כי עופות מסויימים המסוגלים לראות את השדה המגנטי של כדור הארץ.
התמונה באדיבות WoodWalker
יכולת ראייה זו קשורה למבנה  הרשתית של עין הציפור. רשתית היא איבר עיצבי המצוי בעין ואחראי לקליטת התמונה באמצעות קולטני אור. רשתית עין הציפור מורכבת הרבה יותר מהרשתית האנושית ומכילה כמות גדולה יותר של קולטני אור וצבע הקרויים קנים ומדוכים (Rods & Cones)מפליא אם כן, כי הרשתית,העתירה בקולטנים הדורשים אנרגיה רבה לפעילותם, נמצאה דלה בכלי דם. אחת החידות היא כיצד מגיע מספיק חמצן לקולטני האור ברשתית הציפור לאפשר את תהליך הראיה המורכב.
Burmester וצוותו מאוניברסיטאת המבורג, מצאו ככל הנראה את פתרון החידה. החוקרים מצאו כי ברשתית הציפורים ורק ברשתית ציפורים, קיים חלבון אשר קראו לו Globin E. חלבון זה נמצא אחראי לאחסון והעברה של חמצן לרשתית! חלבון גלובין E הוא מהמשפחה של ההמוגלובין והמיוגלובין, אך עד כתיבת שורות אלו לא נמצא בבעלי חיים מלבד ציפורים.
הציפורים למעשה פיתחו מערכת דומה לזו שיש לאדם בלב – חלבון המיוגלובין האחראי לנשיאת חמצן ללב האנושי וחלבון הגלובין  E האחראי להעברת חמצן לעין הציפור.
למקור הידיעה