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.

חדש(נ)ות מהטבע אוגוסט 2011

קוראים יקרים שלום,

חום יולי-אוגוסט כמעט מאחורינו ומצפה לנו שנה חדשה של התחלות ופעילויות ביומימטיות.

ב- 04.09 תעלה לאוויר בערוץ לוגי תוכנית ייחודית בשם זואולוגי הכוללת עשרים פרקים העוסקים בחיות הבר של ארץ ישראל. כל תוכנית תפגיש את קהל הצופים עם חוקר אחר ובסיומה פינת ביומימיקרי – הצגת המצאה בהשראת בעל החיים המדובר. תוכנית זו היא פרי שיתוף הפעולה בין ארגון הביומימיקרי הישראלי וערוץ לוגי.
ב- 22.09 תועבר, במסגרת ליל המדענים באוניברסיטת תל אביב, פעילות חווייתית בנושא ביומימיקרי. בפעילות נכיר מקרוב מגוון פתרונות יצירתיים בטבע לאתגרים שונים באמצעות הדגמות ומוצגים. הפעילות מותאמת לקהל של ילדים ומשפחות. לפרטים ומידע על ליל המדענים באוניברסיטת תל אביב.
ב- 26.09 תועבר הרצאה בנושא "חדשנות בהשראת הטבע" במליאת הכנס לפיתוח ויצור מכשור רפואי בישראל MDDMI. גם השנה נביא עדכונים בנושא חידושים טכנולוגים בעולם הרפואה בהשראת תופעות מן הטבע. לפרטים והרשמה לכנס.

 גם בשנת הלימודים תשע"ב נמשיך במסורת של פעילות ביומימיקרי בקהילה. המעוניינים להתנדב ולקחת חלק בפרויקט זה מוזמנים לקרוא על אופי הפרויקט וליצור קשר. 

בחרנו החודש "ללכת על המים" בעקבות רצי המים, להביא עדכונים בנושא מנגנון התעופה של חרקים ובנושא מנגנון הראיה של ציפורים, לדווח על זיעתם הייחודית של ההיפופוטמים ולגלות שהמין האנושי אינו המין היחיד המצטיין באלטרואיזם.

קוראים המעוניינים לקבל מידע שוטף, מוזמנים להצטרף לדף הפייסבוק של ארגון הביומימיקרי, ולקרוא בו ידיעות נוספות על פיתוחים אחרונים בהשראת הטבע, ועל פעילות הארגון.

קריאה מהנה,

צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי.

שלושה במחיר אחד בהשראת ה... היפופוטם

מאת: מיכל טופז, ספארי רמת גן

זיעת ההיפופוטמים מגנה על עורם הודות לשני פיגמנטים, הקולטים קרני UV ובעלי תכונות אנטי-בקטריאליות ודוחות חרקים. חוקרים מנסים לחקות את החומר ולייצר קרם הגנה בעל שלושת התכונות: מסנן קרינת שמש אנטי בקטריאלי ודוחה יתושים.

בקיץ אנחנו משתמשים בחומרים רבים: בקרם הגנה נגד השמש, בחומרים מחטאים ובחומרים הדוחים יתושים ומזיקים נוספים. תארו לעצמכם שהיינו יכולים להרוויח שלושה במחיר אחד בהשראת ה... היפופוטם!

צילום: טיבור יגר, ספארי רמת גן

היפופוטמים מפרישים חומר שומני, צמיגי ודביק, בצבע חלודה, המכונה לרוב "זיעה" (למרות שהוא בעצם אינו כזה, שכן אינו על בסיס מים). בעוד שזיעה של בעלי חיים היא לרוב מנגנון של קירור, הפרשה זו פועלת יותר מאשר לקירורו של ההיפופוטם בלבד, והיא מצטיינת בתכונות הבאות: מסנן קרינה, שהוא גם חומר אנטי-בקטריאלי וגם דוחה חרקים! הפרשה זו שומרת על ההיפופוטמים במשך שעות, אפילו אחרי שהיא מתייבשת, כלומר גם כאשר הם מתרחקים ממקור מים. התאמה ייחודית זו, ובעיקר התכונה האנטי בקטריאלית של ההפרשה, חשובה להיפופוטמים, אשר שוהים זמן רב בשמש באגמים קטנים ובבריכות טבעיות שבהן זרימת המים חלשה ולכן גם תחלופת המים בהם חלשה. ההיפופוטמים הם בעלי חיים טריטוריאליים ואגרסיביים ביותר, המשתמשים בניבים הארוכים שלהם כנשק בעת קרבות על שליטה ועל מעמד חברתי, והם נפצעים לעיתים קרובות. זיעתם, בזכות היותה אנטי-בקטריאלית, שומרת במקרה של פציעה מפני זיהום אפשרי.

חוקרים בבית הספר לרוקחות באוניברסיטת קיוטו ביפן, אספו את ההפרשות מעורם של ההיפופוטמים לצורכי מחקר, וזיהו שני הפיגמנטים, הפיגמנט האדום - חומצה היפוסודורית, והפיגמט הכתום - חומצה נורהיפוסודורית, אשר נמצאים בהפרשה ואחראים לתכונות החומר. קבוצת חוקרים אחרת, מהחוג להנדסה באוניברסיטת קליפורניה, בשיתוף גן החיות סאן דיאגו וגן החיות Fresno Chaffee  בקליפורניה, גילתה כי גם אחרי כמה חודשים של אחסון, המשיך החומר לתפקד כאנטי בקטריאלי.


                 התמונה באדיבות: Kimiko Hashimoto, Kyoto Pharmaceutical University

כעת מנסים החוקרים ליצור קרם הגנה אנטי בקטריאלי ודוחה חרקים בהשראת הפרשת ההיפופוטם. אם יצליחו, נרוויח שלושה חומרים בחומר אחד, אשר נמרח בקלות על העור, פעולתו נשארת למשך שעות והוא עמיד במים.

לטענת החוקרים, אחד האתגרים הקשים הוא לדאוג שהקרם לא יריח כמו היפופוטם...

למקור הידיעה

למידע בנושא ביומימיקרי בספארי, מיכל טופז 03-6305308

לרוץ על המים

מאת: מאיה גבעון

רצי המים (water striders) המסוגלים לעמוד ולרוץ על פני המים, שימשו מודל לפיתוח מיקרו-רובוט, המסוגל להתקדם על פני המים מבלי לשקוע.

רצי המים (water striders) הם חרקים קטנים ממשפחת הפישפשאים, שקיבלו את שמם בזכות יכולותיהם לעמוד ביציבות ובשלווה על פני מים, ולרוץ על פניהם במהירות. פיצוח המבנה והמנגנון היוצרים את היכולת המיוחדת הזו יהיו שימושיים, ללא ספק, למגוון שימושים אנושיים (מרובוטי מחקר וניטור איכות המים ועד מכשירים למשימות ריגול) – ולכן מתמקדים צוותי חוקרים בכל העולם בניתוח ובחקר רצי המים, כמו גם בחקר יתושים ועכבישי מים שניחנו בתכונות דומות, במטרה ליצור רובוטים קטנטנים שיחקו את פעולתם. בעוד המבנה הביוכימי שמאפשר את הציפה מעל המים פוצח, ככל הנראה, (כל רגל מכוסה בשערות קטנטנות ובקצותיהן מבנים דוחי מים, סופר הידרופוביים) – האתגר לחקות את המנגנון באמצעות מכשור מלאכותי נותר בינתיים בעינו.


                            מאת Cory תחת רישיון Craetive Commons 2.1

התיאוריה הרווחת הייתה, כי על מנת לרוץ על פני המים, על החרקים ליצור גלים במהירות העולה על 25 ס"מ בשנייה (המהירות המינימאלית של גל במים), אך הסתבר כי החרקים הצעירים שרגליהם קצרות, אינם מסוגלים לנוע במהירות כזו. צוות מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס גילה, כי תנועת החרקים נובעת מתנועה של הרגליים האחוריות, המשמשות כמשוטים. הרגלים חובטות במים ויוצרות בהם מערבולות זעירות, ואלה דוחפות קדימה. גילוי זה היה ראשית הדרך לניסיונות רבים לפיתוח מיקרו-רובוטים, שיחקו את תנועת הרצים. פותחו מודלים מתמטיים כדי להסביר את התנועה הזו, ונמצא שהגורמים המשפיעים ביותר על כח הדחיפה, הם רדיוס ה"משוט" וזווית כניסתו אל המים.

לאחרונה, דיווח צוות חוקרים במגזין ACS Applied Materials & Interfaces, על התקדמות במחקר: הצוות הצליח ליצור מיקרו-רובוט (לסרטון) , בעל זרועות ארוכות ודוחות מים, שמצליח להתקדם על פני המים מבלי לשקוע. גוף הרובוט נתמך על ידי עשר "רגליים" דוחות מים, ושתי רגליים נוספות בעלות קצוות שטוחים במקצת, והן אלה שמשמשות כמשוטים ליצירת הדחיפה שמקדמת את הרובוט. הרובוט מונע מכוח שני מנועים זעירים, ולמרות שמשקלו זהה למשקלם של 390 רצי מים, הוא מצליח להישאר מעל לפני המים. הרובוט מצטיין גם בתנועה מהירה ובעלות ייצור נמוכה יחסית, אך הוא עדיין נופל בביצועיו מהמודל המקורי. כעת עובדים הצוותים על שיפור יכולותיו של הרובוט. האם יצליחו להקנות לו גם תנועה חיננית וחסרת מאמץ כתנועתם של הרצים? נחכה ונראה.

למקור הידיעה

אלטרואיזם הדדי

עשרות שנים של מחקר כלכלי ופסיכולוגי, על אלפי נבדקים, הובילו למסקנה כי אסטרטגיית שיתוף הפעולה היא אסטרטגיה מובילה בעולם העסקים, בין מדינות ובין אנשים.... בעיקר כאשר במהות היחסים יש סיכוי רב למפגש חוזר. דילמת האסיר, המשמשת כמודל לשיתופיות המבוססת על אלטרואיזם הדדי, הוא אחד מכלי המחקר של נושא זה בבני אדם. האם אלטרואיזם הדדי קיים גם בטבע, או שזו אחת התכונות המיוחדות לאדם?

מחקר חדש גילה כי שימפנזים מגלים אמפתיה מבוססת על אלטרואיזם. מחקר זה סותר מחקרים קודמים אשר הצביעו על כך שלשימפנזים אין יחס מיוחד לאחר.

עד מחקר זה נמצאה התנהגות אלטרואיסטית (זולתנית)  אצל חרקים, דגים וציפורים. אצל האדם, מונעת ההתנהגות האלטרואיסטית על ידי אמפתיה, ולכן עד היום נחשבה לתכונה אנושית ייחודית. המחקר האחרון בנושא זה, שפורסם בכתב העת Proceedings of the National Academy of Sciences חושף, כי בני אדם אינם הפרימטים (יונק עליון) האלטרואיסטים היחידים. חוקרים מצאו כי שימפנזים מגלים התנהגות לא אנוכית כלפי האחר – וכי גם היא מונעת על ידי אמפתיה.


          מאת  Thomas Lersch תחת רישיון Creative Commons 3.0

במחקר האחרון נבחרו שימפנזים ממין נקבה. בכל ניסוי בחרו השימפנזים סמל (סמלים זהים בצבעים שונים). בחירת צבע מסויים הובילה לתגמול רק לשימפנזה שבחרה את הסמל. בחירת סמל בצבע שונה הובילה לתגמול לשימפנזה "הבוחרת" וגם לשימפנזה השכנה. באופן עקבי, השימפנזה שבחרה את הסמל בחרה כך, שגם שכנתה תזכה בתגמול. ככל שעלתה רמת הגירויים במהלך המחקר (גירויים ראייתיים ושמיעתיים כאחד), גדלה רמת התקשורת בין השימפנזים והתנהגותם האלטרואיסטית עמדה בעינה.

דר' Boesch, מנהל המחלקה לפרימטולוגיה ב- Max Planck Institute, טוען כי מחקרים רבים אשר מתעדים התנהגות של שימפנזים בטבע, מצביעים על התנהגות אלטרואיסטית ועל עזרה הדדית. המחקר המדובר מוכיח לראשונה התנהגות אלטרואיסטית גם בתנאי מעבדה, ותואם את התצפיות ואת הידע שהצטברו במהלך השנים במחקרי השדה. מתן תוקף חברתי ואקולוגי לניסוייים אלה, אפשרו לראשונה להראות בתנאי מעבדה את מה שחוקרי השטח יודעים כבר זמן מה.

מיליוני שנות אבולוציה הובילו להתפתחות אסטרטגיה אלטרואיסטית בקרב מינים שונים, כך שתכונת האלטרואיזם אינה ייחודית רק לאדם.

למקור הידיעה

טייסים אוטומטים עם ראיית ציפור

מאת: יעל הלפמן כהן

חקר המעוף המדויק והמהיר של ציפורים דרך יערות צפופים, יכול להוביל לפיתוחים חדשים בתחום הרובוטיקה ובתחום הטייסים האוטומטים. מחקר חדש בנושא זה הוצג בוועידה השנתית של האגודה לביולוגיה ניסויית בגלאזגו בתחילת יולי.
מדענים מאוניברסיטת הארוורד אימנו יונים, לעוף דרך יער מלאכותי כשמצלמה זעירה מחוברת לראשם, ומספקת תמונה "ממעוף הציפור". חוקר ראשי במחקר זה, ד"ר Huai-Ti-Lin, שהוא בעצמו מטיס מטוסים ללא טייס, מספר כי מצלמות הראש ומצלמות נוספות משני צידי היונים, מאפשרות לשחזר גם את מה שהציפור רואה – וגם את מהלך תנועתה.
השיטות בהן נעזרו יונים לנווט בסביבה הסבוכה יכולות לשמש מודל לפיתוח טכנולוגיית ניווט לטייסים אוטומטים. יונים מצטיינות בראיה פנורמית רחבה, המאופיינת בזווית ראיה של למעלה מ- 300 מעלות. מכיוון שראיתן מאפשרת להן לאמוד מכשולים משני הצדדים, הן מתאימות במיוחד לניווט באזור סבוך ועתיר מכשולים. בנוסף, יונים יכולות גם לקבע את ראייתן על אובייקט מסוים תוך החלפה מהירה בין אובייקטים באמצעות סקדות ,(Saccade ) שהן תנועות קטנות ומהירות של העיניים.

                                   מאת Lynne Kirton תחת Creative Common 2.0
במחקר זוהו תכונות  נוספות העשויות להיות חשובות לטייסים אוטומטים. כך למשל, נמצא שיונים נוטות לבחור את הנתיב הישר ביותר. נתיב זה הוא הדרך היעילה והמהירה לעבור את היער, משום שהציפור צריכה לבצע פחות פניות, ולכן צורכת במעופה פחות אנרגיה. ממצא מעניין נוסף הוא שהיונים יוצאות מהיער בדיוק באותו כיוון בו נכנסו אליו, למרות הפניות והפיתולים שנאלצו לבצע בתוכו.

לא מספיק לצייד רובוט, או מטוס ללא טייס בקואורדינאטות של היעד,  צריך לספק להם מידע גם על מכשולים בדרך. אם יצליחו לפתח את טכנולוגית הניווט המבוססת על שיטות הניווט של ציפורים, אפשר יהיה לצייד את הרובוטים ואת המטוסים ללא טייס ב"ראיית ציפור", ולאפשר להם לנוע במרחב גם בלי ידע מוקדם על המכשולים שבדרך.


למקור הידיעה

בקרת תעופה בחרקים

מאת: זיו כהני

חוקרים מאוניברסיטת בייג'ין חשפו את מנגנוני התנועה האחראים לתמרון המדויק והמהיר של חרקים. הידע יתרום ליישומים ביטחוניים כמו פיתוח כלי טיס זעירים למשימות ריגול ותקיפה.
 חוקרים מאוניברסיטת בייג'ין החליטו לחקור את היכולת שיש לחרקים, לבצע תמרונים מהירים ומדוייקים בחלל שסביבם בכל זמן, תוך קיום בקרת תנועה/תעופה מושלמת.
תחום מחקר זה, הנקרא MAV- micro aerial vehicles , למעשה חוקר את החרקים, לצורך חיקוי תנועת התעופה והריחוף שלהם. זהו תחום מאוד מבוקש כיום, למשל בשוק הביטחוני, בו מנסות חברות לפתח כלי טייס זעירים שישמשו במשימות ריגול ו/או תקיפה, בעוד הסביבה לא מזהה שמדובר ברובוט ולא בחרק.
בעזרת מודל ממוחשב לחישובים בתחום הדינמיקה וצפייה בחרקים, גילו החוקרים כי למעשה מבצעים החרקים את התעופה ואת התמרונים בעזרת שני מנגנוני תנועה, אותם הם יכולים להפעיל במקביל:
• המנגנון הראשון הוא תנועה לצדדים, זאת ע"י סבסוב הגוף לצדדים בזווית קטנה יחסית לכיוון התנועה הרצוי. מנגנון זה מתאפשר בזכות יכולת ההנעה של הכנפיים בצורה א-סימטרית.
• המנגנון השני הוא היכולת לנוע מעלה ומטה. מנגנון זה מתאפשר בזכות היכולת לשנות את הזווית בה נמצאת הכנף ביחס לאופק בזמן התעופה ('זווית התקיפה').

בסכימה המצורפת, אפשר לראות למעשה את יכולת תנועת החרק תוך שימוש בשני המנגנונים:


                                                   התרשים באדיבות Mao Sun

המרתק בבקרת התעופה של החרקים, הוא השליטה הסימולטנית המוחלטת שלהם במנגנונים אלה. כל אחד משני מנגנונים אלו מוגדר כ"לא-יציב" או כ"חסר שליטה", מכיוון שהוא מייצר למעשה תנועה חד-ערכית בכיוון מסויים. בזמן התעופה, מייצרת כל תנועה של החרק כוחות ועומסים, שפועלים עליו על ידי הסביבה (למשל על ידי רוחות). תנועה כזאת יוצרת פעמים רבות עומס על החרק, וזה שואף לסובב אותו ולהוביל אותו לכיוונים אחרים במרחב מאלו שהחרק מתכוונן אליהם ('מומנט'). מערכת הבקרה של החרק מייצרת עבורו איזונים מכאניים מתוחכמים, ושילוב המנגנונים מייצר מצב מבוקר- יציב ונשלט.
אז אולי כעת ברור לנו קצת יותר למה די קשה לנו לצוד זבוב שמטריד אותנו בזמן הכי פחות רצוי?

למקור הידיעה בירחון  Biomimetics & Bioinspiration