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 פברואר 2012

באוניברסיטאות שונות בעולם, מבצעים היום צוותי מחקר משולבים של מהנדסים וביולוגיים מחקרים יישומיים. בהארוורד הוקמה מחלקה שלמה למחקר יישומי ביומימטי, בברקלי משלבים מהנדסים וביולוגיים במחקרים יישומיים שונים, וגם באנגליה, ביפן ובגרמניה יש יותר ויותר קורסים, מחקרים ופטנטים בתחום. חדש(נ)ות מהטבע, במתכונתו הנוכחית, מביא לקוראים בארץ את סיפורי התוצרים של עבודה משולבת זו.

בגיליון זה של חדשנות מהטבע אנו פותחים בסדרת כתבות מאת מאיה גבעון, על קבלת החלטות בעולם החי, על סדרות מתמטיות שמורות בטבע ועל הקשר שלהן לשדות אנרגיה. בנוסף, נתאר מחקרים חדשים בנושא עמידות קורי העכביש, בנושא מהירות שחיית הכריש ובנושא ייצוב השממית על משטח חלק. בעלי חיים אלה כבר תוארו בידיעון זה בעבר, ומחקרים חדשים שופכים אור נוסף על המנגנונים והמבנים שבבסיס תכונותיהם.
קוראים המעוניינים לקבל מידע שוטף מוזמנים להצטרף  לדף הפייסבוק של ארגון הביומימיקרי, ולקרוא בו ידיעות נוספות על פיתוחים אחרונים בהשראת הטבע, ועל פעילות הארגון. כמו כן, להרשמה לקבלת חדש(נ)ות מהטבע ישירות לתיבת הדואר - הרשמה לידיעון.


בהזדמנות זו, אנו רוצים לאחל ליעל הלפמן-כהן, מנכ"ל ארגון הביומימיקרי הישראלי,
מזל טוב להולדת בנה אייל.

                                                                     בברכת קריאה מהנה,
                                                                           צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי

קבלת החלטות בעולם החי (חלק א')

מאת: מאיה גבעון

מתודולוגיית הביומימיקרי הולכת ומתפשטת כמקור בלתי נדלה לחדשנות טכנולוגית. כחברה אנושית נוכל ללמוד מהטבע לא רק באמצעות חיקוי מבנים, צורות וחומרים לטובת יצירת טכנולוגיות – אלא גם מתוך למידה מעמיקה של התנהגות מינים ומערכות. כתבה ראשונה בסדרה מבקשת לבדוק אם יש לנו מה ללמוד מהטבע בתחומים חברתיים והתנהגותיים, ובראשם  מודלים של קבלת החלטות.
הרעיון, שהחלטות שמתקבלות על ידי רבים מוצלחות יותר מהחלטות שמתקבלות על ידי יחידים, אינו חדש. במאה ה-18 קיבל הרעיון בסיס חזק בזכות תיאוריית המושבעים של הפילוסוף והמתמטיקאי, המרקיז ניקולס קונדורסה, שהיה הראשון ששילב תיאוריות מתמטיות במדעי החברה. כיום ידוע, שלא רק שהחלטות קבוצתיות הן תהליכים קריטיים בקרב בעלי חיים חברתיים כמו דולפינים, נמלים, דבורים וציפורים, אלא גם שהם מקבלים החלטות קבוצתיות לא פחות טוב, ואולי טוב יותר מאיתנו.

חיות חברתיות, שחיות במבנים חברתיים מאורגנים, מקבלות החלטות בשני מודלים שונים: החלטות המתקבלות בקונצנזוס, כאשר הקבוצה מקבלת החלטה אחת משותפת; והחלטות משותפות, כפי שמתרחש בקרב הדבורים.
התמונה באדיבות Frank Mikley תחת רישיון GNU Free Documentation License
מדי שנה, לקראת הקיץ, מתכוננת המלכה האם של דבורת הדבש ( Apis mellifera) לעזוב את הכוורת. היא כבר העמידה צאצאה שתירש את מקומה ותנהל את הכוורת, ועתה עליה לעזוב למשכן חדש, ואיתה צוות פועלות מסורות.  דבורי סיור נשלחו לאתר מקומות חלופיים שיתאימו ככוורת חדשה, וכעת חזרו לדווח על התוצאות. כל אחת מהן מדווחת כמיטב יכולתה על המקום שמצאה על ידי ריקוד שחוזר על עצמו, וכולל פניות ונענועי גוף. אך מאחר ואף דבורה לא סיירה בכל המקומות, איך תתקבל ההחלטה? איך יוכלו הדבורים לדעת איזה מבין המקומות הוא הגדול והמתאים ביותר?

באופן מעורר פליאה, מתוך מחקרים רבים שנערכו על דבורי דבש ועל מודל קבלת ההחלטות שלהן, נראה שהדבורים מצליחות - ברוב מוחלט של הפעמים - לבחור את האתר הגדול והמוצלח ביותר מבין אתרים נתונים, למרות שאין להן יכולת להשוות בין המקומות באופן ישיר, אלא רק בהסתמך על דיווחיהן של דבורי הסיור. ההחלטה מתקבלת בהליך שיתופי דמוקרטי של קבוצה מתוך הכוורת. המלכה, למרות התואר שניתן לה על ידי האדם, חסרת סמכות בכוורת בבחירת מעונה הבא, ולמעשה גם חסרת סמכויות באופן כללי.
אז איך מתבצעת הבחירה?
חוקרים שלומדים את התנהגות הדבורים מתארים תהליך קבוע, שבו כל דבורה שחוזרת לכוורת על מנת לדווח על מקום אפשרי לכוורת הבאה, מתארת את מיקומו באמצעות ריקוד. ככל שהמיקום מוצלח יותר, יחזור הריקוד על עצמו מספר רב יותר של פעמים, ויימשך זמן רב יותר. חלק מהדבורים שבכוורת צופות  בדבורי הסיור, לומדות מהן על מיקום האופציות השונות, ויוצאות לבדוק אותם בעצמן. כשיחזרו, ידווחו אף הן על המיקום על ידי אותו ריקוד. אתרים שאינם מוצלחים, ידווחו במשך זמן קצר יותר לעומת אתרים גדולים ומוצלחים. כך, בהדרגה, ייווצר מצב שבו יותר ויותר דבורים מסמנות בגופן את הדרך אל האתר הגדול ביותר, לאחר שרבות מהן נחשפו בעיקר לריקוד המתאר דווקא את הדרך אליו. רבות מהדבורים כלל אינן לוקחות חלק בתהליך, אלא עומדות בשקט במהלכו, עד שהקבוצה הרוקדת והבודקת מגיעה לגודל מסוים, וכאשר נופלת ההחלטה משנות כולן יחד את תנועתן, ומאותתות בכך לאחיותיהן שהחלטה התקבלה, ועומדים לצאת לדרך.


מקור הכתבה: Economist ו ScienceDaily

חמנייה - לא רק מקור לגרעינים השחורים שבפיצוציה הקרובה לביתכם

מאת: זיו כהני

אי שם במדבר, ליד העיר סביליה שבספרד, קיים אתר שעלול להראות - תחת השפעת פאטה-מורגנה קלה - כנווה מדבר. מגדל ענק המוקף בכ-600 מראות ענקיות (כל אחד בגודל של כחצי מגרש טניס!), שמסודרות במעגלים.
המראות האלה עוקבות במהלך כל היום אחרי תנועת השמש, ומכוונות את קרני השמש ישירות לראש המגדל, ושם, בסופו של תהליך, מומרות קרני השמש לחשמל, שיכול לספק צריכה של כ-6000 בתי אב!

עד כאן תיאור של סוג אחד של שדה אנרגיה סולארית, בתחום טכנולוגי הנקרא Concentrated Solar Power, או בקיצור- CSP.
לצערם של בעלי העניין (אינטרסים כלכליים, ירוקים או כל דבר אחר), יש בעולם מעט מאוד שדות כאלה, ולטענתם המשאבים הבסיסיים הנדרשים, דהיינו קרקע ושמש, זמינים כמעט ברמה אינסופית.

הקונספט הטכנולוגי של מגדל שסביבו שורות של מראות נקרא Sun Solar Tower FCR , וכבר קיים בעולם. לאחרונה, תכנן צוות משותף של חוקרים מ-MIT ומאוניברסיטת RWTH Aachen שבגרמניה קונספט חדש לשדה סולארי מסוג זה, שעל פיו יידרש שטח קרקע קטן יותר, בעוד כמות קרני השמש שתכוון אל המגדל על ידי המראות דווקא תגדל.

את הצורה בה מסודרות המראות סביב המגדל בקונספט הנפוץ ניתן לתאר כשורות של בית קולנוע- שורה אחת מאחורי השנייה במרווחים קבועים. בסופו של דבר, למרות המרווח נוצרות הצללה וחסימה, ודבר זה מקטין, כמובן, את היעילות ואת הנצילות של כלל השטח.
איך הצליחו אותם חוקרים לתכנן קונספט חדש ויעיל יותר? מסתבר שהם חקרו את פרח החמנייה, ובשילוב מודל מתמטי גילו, שאם תמוקמנה המראות מסביב למגדל בצורה שמחקה את המערך הספיראלי של הפרחים הקטנים שעל פני החמנייה, הן בעצם תהיינה מסודרות בצורה שתקטין את השטח הנדרש בכ-20% (חסכון בעלויות הקמה ותחזוקה), וכן תקטין למינימום את ההצללה והחסימה של קרני השמש בין מראה למראה.
החוקרים הופתעו לגלות כי יש צורך בזווית מדויקת, בה כל מראה צריכה להיות מונחת-°137 בדיוק. בנוסף, הבינו שהמערך הספיראלי שמצאו כבר הוגדר על-ידי מתמטיקאי צרפתי שחי במאה ה-17, והניח את היסודות לתורת המספרים ולתורת ההסתברות. מבנה ספיראלי זה נפוץ בטבע וכבר ביוון העתיקה נעשה בו שימוש בתחום הארכיטקטורה.

למקור הידיעה

מכונית עם זנב

חוקרים מאוניברסיטת ברקלי שבקליפורניה הוסיפו זנב למכונית-רובוט, כדי לאפשר לה לזנק ביציבות כמו שמזנקת לטאת החרדון האדום.

בעלי חיים בטבע מתהדרים בזנב מפואר שלעיתים נראה בעינינו מכביד ומיותר. מחקרים רבים לאורך השנים הצביעו על חשיבותו של זנב לתפקידים שונים. זנב הטווס הכרחי לתהליך החיזור (עקרון ההכבדה), בעוד זנב הצ'יטה מאפשר לה לפנות פניות חדות במהירויות גבוהות מאוד ולשמור על שיווי משקלה. זנב הקנגורו הכבד והארוך מאפשר תנועה יציבה למרחקים ארוכים במהירות של כ-70 קמ"ש.
באוניברסיטת ברקלי שבקליפורניה, חקר צוות של ביולוגים ומהנדסים ממעבדתו של פרופ' פול ( Robert J. Full ) במחלקה לביולוגיה אינטגרטיבית, את תנועתה של הלטאה במהלך זינוק ממשטח בלתי יציב. ממחקרם עולה כי תנועת הזנב מאפשרת זינוק ממשטח חלק למשטח אנכי ללא התנגשות חזיתית במשטח האנכי. מסתבר שתנודה של הזנב מעלה הכרחית למניעת התנגשות כזו.

בהמשך למחקר זה, הוסיפו החוקרים זנב רובוטי ל- Talibot, מכונית רובוטית, כדי לאפשר לה את אותה יציבות המאפיינת את הלטאה בזמן תנועה. מסתבר שחיקוי תנועת הזנב  מעלה אינו מספיק, ויש לייצר תנועת זנב מבוקרת באופן אקטיבי לכל תנועת המכונית, על מנת לייצבה באופן יעיל.
בעשרים השנים האחרונות חקר פול את השפעת זנב השממית על יציבות תנועתה. מסתבר כי יציבות השממית על משטח אנכי חלק מתאפשרת לא רק הודות לננו-שערות שנמצאות על אצבעות השממית ומאפשרות את ההדבקה החזקה למשטח, אלא גם הודות לזנב, שיש לו תפקיד בייצוב השממית במקרה של החלקה רגעית.

המחקר הנוכחי בוצע במעבדת מרכז CiBER (Center for interdisciplinary Bio-inspiration in Education and Research). במסגרתו השתמשו בצילום וידאו במהירות גבוהה לרישום תנועת חרדון אדום-ראש במהלך זינוק ממשטח בעל רמת חיכוך משתנה לעבר משטח אנכי.  החוקרים פיתו את החרדון לרוץ לאורך מסלול ולזנק מעל מכשול לעבר משטח אנכי. כאשר ירדה רמת החיכוך על פני המכשול, עלה זנב החרדון לזווית שתאפשר המשך תנועה יציבה.
התמונה באדיבות Chris huh תחת רישיון Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported

בהשראת התנועה המייצבת של זנב החרדון, פיתחו החוקרים רובוט עם זנב, המחקה את תנועת הלטאה בזינוק ממכשול, וכולל חישה של מנח הרובוט והתאמת תנועת הזנב הרובוטי למנח. בקרה זו של תנועת הזנב אפשרה ייצוב של ה  Tailbot במהלך תנועה.

לצפייה בתנועת ה- Tailbot   ובתנועת החרדון  מהקישור הבא:
האם הפיתוח הבא בנושא בטיחות תנועת אופנועים יהיה אופנוע עם זנב שיאפשר תנועה יציבה יותר בסיבובים על כביש רטוב?

העור המאיץ

מאת: יעל הלפמן כהן

צוות חוקרים מאוניברסיטת הארוורד מצא, כי עורו של הכריש לא רק מפחית את הגרר אלא גם מייצר דחף, המניע את הכריש קדימה.

הכריש, הידוע ביעילות שחייתו ובמבנה זריז, כבר שימש מקור השראה ומושא למחקרים ביומימטיים. בין הפיתוחים הידועים אפשר למנות את בגד השחיינים FastSkin של חברת Speedo ,  שיש לו חלק לא מבוטל בהשגת שיאים אולימפיים באולימפיאדות האחרונות.

ידוע כי העור של הכריש מכוסה בשיניים קטנטנות וחדות, המפריעות לזרימת המים ומסייעות בהפחתת הגרר. מסקנה זו נבעה ממחקרים שבוצעו על משטחים קשיחים, נעדרי יכולת תנועה. מכיוון שעור הכריש אינו משטח סטטי, והוא מושפע מתנועת הכריש במים, תיאור תפקוד השיניים כפי שהוצע עד כה, עשוי להיות בלתי מדויק.
צוות מחקר מאוניברסיטת הארוורד החליט לבדוק השערה זו, ובמחקר שפורסם לאחרונה בעיתון האקדמי לביולוגיה ניסויית דווחו על ממצאי ניסוי, שבחן את הדינאמיקה של הזרימה המאפיינת את עור הכריש, במטרה להבין את השפעת מבנה השיניים על עור הכריש במצב הטבעי, כאשר הן מונחות על יריעות גמישות ונעות.
התמונה באדיבות Kschotanus תחת רישיון  Creative Commons Attribution 3.0 Unported
הסודות הגדולים של השיניים הקטנות נחשפו בסדרת ניסויים. בניסוי הראשון הוצמדו פיסות עור כריש ליריעות אלומיניום קשיחות, שהוטבלו ונודנדו במיכל מים מצד לצד, על מנת לדמות את תנועות הזרימה של הדג. נמדדה גם מהירות היריעה במצב זה. בהמשך הוסרו השיניים, ונמצא שמהירות היריעה דווקא גברה. משטח השיניים עיכב את השחייה המהירה. בהמשך, יצרו החוקרים יריעה גמישה וחזרו על הניסוי. הפעם נמצא אפקט דרמטי לנוכחות השיניים. המשטח המחוספס שיפר את ביצועי השחייה. מסתבר שמבנה השיניים מייצר כוח דחף, המספק לכריש תאוצה נוספת בכיוון התנועה.
נראה שעור הכריש לא רק מפחית גרר, כפי שהיה ידוע עד כה, אלא גם משנה את הדינאמיקה של הזרימה בקרבת עור הכריש בדרך המייצרת דחף. כעת מתכננים החוקרים לייצר מודלים פיסיים על מנת לבחון כיצד משפיע סידור השיניים על הזרימה, במטרה לפתח מודל חישובי שיאפשר להפריד בין האפקט של הדחף לאפקט של הפחתת הגרר.  

למקור הידיעה

קורי העכביש –חזקים עוד יותר ממה שחשבנו

מחקרים רבים מתארים את חוזקם של קורי העכביש, תוך בחינה מדוקדקת של המבנה המולקולארי של סיבי הקור. אך מבנה החומר לבדו אינו יכול להסביר כיצד עמידה רשת קורי עכביש ברוחות חזקות כהוריקן, על אף קרעים במבנה.

מחקר חדש של חוקרים מה MIT,  שדווח בכתב העת Nature  האחרון, מצביע על כך כי עמידותם של קורי העכביש תלויה לא רק בחוזק הסיב הבודד, אלא כי מבנה הרשת השלמה מאפשר פיצוי על קרעים נקודתיים ברשת. המחקר מבוסס על תצפיות ברשתות של קורי עכביש ועל סימולציה באמצעות מחשב.
רשת קורי העכביש מורכבת מסוגים שונים של קורים, בהם קורי המסגרת והקורים הדביקים. האחרונים, הקורים הדביקים, קריטיים לשלמות הרשת. הם מתאפיינים ביכולת הימתחות, הם לחים ודביקים. מטרתם העיקרית היא לתפוס טרף והם אלו היוצאים ממרכז הרשת כקרניים ותומכים במבנה. קורי המסגרת חיוניים לתפקוד המכאני של הרשת. טרם הבנת היתרונות שמקנה המבנה לרשת השלמה, נטען כי סיב קור עכביש בודד חזק מפלדה וקשיח מקוולר (ליחידת משקל, כמובן). על פי המחקר הנ"ל, הבנת היתרונות המבניים של סידור הרשת שופכים אור על עמידותם של קורי העכביש בפני רוחות חזקות ובפני עומסים משמעותיים.
טווית רשת קורי עכביש צורכת אנרגיה רבה, ועל כן עמידות הקורים לאורך זמן חיונית לשרידתו של העכביש.

התמונה באדיבות Charles Haynes תחת רישיון Attribution-Share Alike 2.0 Generic
במחקר זה, אפשרה התאמה בין סימולציות מחשב לבין ניסויי מעבדה להפריד בין גורמים שונים, המשפיעים על עמידותה של רשת קורי עכביש מול איומים כלפי סיבים בודדים ברשת, וכן מול איומים על הרשת כולה (כמו רוח חזקה במיוחד). במעבדה השתמשו בעומסים שונים נגד קורי העכביש, ובחנו את השינויים המיקרוסקופיים במבנה הרשת השלמה ואת השינויים ברמת הסיב הבודד. סימולציה של מבנה קורי העכביש העלתה, כי כאשר יש פגיעה בחלק אחד של הרשת, מגיבה הרשת השלמה. יכולת זו היא איתות לעכביש שניצוד מזון ברשתו. ואילו כאשר פוגע לחץ רב מאוד ברשת, ניתקים חלק מהקורים הקרניים והסיבוביים מהרשת השלמה, ודבר זה מאפשר את הישרדותה. להבדיל ממבנים שונים בטבע, כמו למשל מבנה העצם, מאפשר המבנה של רשת קורי העכביש שרידות גם לאחר פגיעה בחלק מהרשת, על ידי ניתוק החלק הפגוע ממנה.

החוקרים במחקר זה טוענים, שתכנון הנדסי ל "הקרבה" של חלק מהמבנה במצב של עומס יתר,  יאפשר לתכנן מבנים שיעמדו בעומסים משמעותיים בפחות חומר ופחות אנרגיה.