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 יולי 2012


קוראים יקרים,
בתחילת החודש חנכנו את שביל הביומימיקרי הראשון בישראל. שביל הטיול הממוקם במכללת אורנים כולל תשע תחנות הסבר והפעלה על פיתוחים טכנולוגיים לצד האורגניזמים שהיוו מקור השראה לפיתוחים אלו. השביל פותח בחסות ארגון הביומימיקרי הישראלי, מכללת אורנים ומשרד החינוך.
אנו מזמינים אתכם לקרוא על השביל ולצפות בסרט  על ארוע ההשקה. 
בגליון זה תוכלו לקרוא על פיתוחים ומחקרים ביומימטים מעולמות שונים; אלגוריתמיקה בהשראת צפרדעים, אנרגיה סולארית המחקה את עין העש, שריר מלאכותי טכני, ומחקר חדש בתחום הדבקים.
ואי אפשר בלי הקשר הביומימיטי לאולימפיאדה -בפברואר השנה סיפרנו לכם על בגד הים של חברת ספידו, בגד ים, ששחייני אולימפיאדת סידני זכו בעזרתו במדליות לרוב. בגד הים פותח בהשראת עור הכריש  -לידיעה 
אנו מאחלים לספורטאי מדינת ישראל הצלחה במשחקים האולימפיים, ולכם הקוראים, המשך קייץ מרענן.
בברכת קריאה מהנה,
צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי

שביל הביומימיקרי הישראלי

מאת: יעל הלפמן כהן
 ארגון הביומימיקרי הישראלי פועל זו השנה השלישית להעלאת המודעות לתחום הביומימיקרי בארץ. כחלק מפעילות הארגון נכתבות תוכניות חינוך והדרכה במוסדות שונים, ואלפי תלמידים נחשפים לתחום במסגרות שונות. פעילות ענפה מתרחשת בגני רמת הנדיב, בספארי ברמת גן, בתוכנית קרב, באוניברסיטאות, וכחלק מתוכנית מתנדבים בבתי ספר יסודיים. כנדבך נוסף לפעילות זו, הושק בתחילת החודש שביל הביומימיקרי הישראלי במכללת אורנים. השביל הינו פרי שיתוף פעולה של מכללת אורנים וארגון הביומימיקרי הישראלי.  
התמונה באדיבות ד"ר מיכל גרוס, מכללת אורנים
 השביל הייחודי הינו הראשון מסוגו בישראל והשני בעולם (שביל נוסף הוקם על ידי ארגון הביומימיקרי האמריקאי בארה"ב). השביל עובר בגן הבוטני של מכללת אורנים, המשקיף אל נופם הקסום של הכרמל ושל עמק זבולון. תשע התחנות המוצבות לאורך השביל, מזמנות היכרות ראשונית, חווייתית ומעמיקה עם תחום הביומימיקרי, כמקור לחדשנות מקיימת בתחומי החיים השונים. התחנות, מוצבות לצידם של אורגניזמים שהיוו מקור השראה וידע לפיתוחים ביומימטיים, לרבות אצטרובל האורן, הלוטוס, קורי העכביש, הנמלים ועוד, והן כוללות שילוט ומיצגים שעוצבו בידי האומנית טלי גיל.
אנו מזמינים אתכם לצפות בארוע השקת השביל כפי שהתפרסם ברשת הטלויזייה .NTD לצפייה בסרט לחצו על הלינק הבא: לינק לסרט.
כל תחנה כוללת מידע לגבי המנגנון הביולוגי שנחקר ולגבי הפיתוח הטכנולוגי שהועתק, ומספקת למבקר הפעלות וחומר למחשבה.

בטקס ההשקה נכחו כמאה אנשים מהאקדמיה, ממשרדי ממשלה ומהתעשייה. אירוע ההשקה כלל סיור ראשון בשביל, בהדרכת נציגי ארגון הביומימיקרי הישראלי ומרצים ממכללת אורנים. דברי ברכה אופטימיים של ד"ר סיניה נתניהו, המדענית הראשית של המשרד להגנת הסביבה, חתמו את הטקס. השביל פתוח לקהל הרחב מדי יום בין השעות 08:00- 17:00, למידע נוסף - אתר השביל במכללת אורנים

חיזור גורלי – או רשת אלחוטית בהשראת קרקור הצפרדעים

מאת: יעל הלפמן כהן
מנהגי הקרקור של צפרדע העצים היפנית שימשו כבסיס לפיתוח אלגוריתם לסימון יעיל של צמתים ברשת. אלגוריתם זה יוכל לסייע בעתיד לתכנן רשתות אלחוטיות יעילות יותר.
השמעת קולות בטבע הוא אמצעי חיזור נפוץ. בעזרת הקול מסמן הזכר לנקבה את מיקומו ומפגין את חוזקו. אך מה קורה כאשר שני זכרים הנמצאים בסמיכות מקרקרים בו זמנית? הנקבות מתבלבלות ומתקשות לזהות את מיקום הקורא. פתרון מתבקש לבעיה זו הוא פיזור קריאות הקרקור, כך שלא יווצר מצב בו הקריאות מסונכרנות. מניעת הסינכרון של קולות הקרקור חיוני לשרידותם של הצפרדעים.
פתרון זה זוהה, למשל, בקרב זכרים של צפרדע העצים היפנית (Hyla japonica), הנמנעים מהשמעת קולותיהם בו זמנית על מנת שהנקבות תוכלנה להבחין ביניהם. מדענים מהפוליטכניון בקטלוניה השתמשו בדפוסי הקרקור הנ"ל לפיתוח אלגוריתם לתכנון רשת יעילה יותר.
צפרדע עצים יפנית. התמונה באדיבות Kropsaq
 אז מה הקשר בין דפוסי קרקור של צפרדעים לבין רשתות יעילות?
השאיפה לתכנן רשת אופטימאלית, בה איבוד המידע וצריכת האנרגיה מינימאליים, אופיינית לתחומים רבים. הבעיה ידועה מתורת הגרפים, בה נוהגים לסמן צמתים תחת מגבלות מסוימות. כך למשל, ידועה בעיה מתמטית של  סימון צמתי רשת עם מספר מינימאלי של צבעים, מבלי שצומת יהיה בעל צבע זהה לצומת סמוך. כאמור, פתרון לבעיה מתמטית זו נמצא בקרב מנהגי החיזור של צפרדעי העצים היפניות. המצב של היעדר סנכרון בין קולות הקרקור הוא אנלוגי למניעת צביעת זוג צמתים סמוכים באותו הצבע. המכניזם הביולוגי האחראי לפיזור הקולות ולמניעת סנכרון אינו תוצר של מרכז שליטה אחד, כי אם מבוסס על ארגון עצמי. מספר כללים פשוטים, המתקיימים בכל אינטראקציה בין שני פרטים בקבוצה, מייצרים את דפוס הקרקור הכללי. 
החוקרים יישמו עקרונות דומים של ארגון עצמי, ותכננו אלגוריתם חדש להקצאת צבעים לצמתי רשת. האלגוריתם שפותח  מבטיח פתרון תקף לצביעת הרשת במספר מינימאלי של צבעים. לאלגוריתם זה יכולות להיות אפליקציות בתחום ניהול תעבורה יעיל ברשתות אלחוטיות.
מחקר זה הוא דוגמא נוספת ליישום אינטליגנציית הנחיל, ענף של אינטליגנציה מלאכותית השואף לתכנן מערכות אינטליגנטיות מרובות סוכנים, בהשראת ההתנהגות הקולקטיבית של קבוצות בעלי חיים כמו מושבות נמלים, להקות ציפורים, להקות דגים או קבוצות צפרדעים.

הפרשת נוזל לשיפור הדבקה? זה עובד אצל חרקים!


מאת: מאיה גבעון

דבקים ומנגנוני הצמדה רגישים ללחץ ממלאים מגוון תפקידים חיוניים בחיינו: חבישה וטיפול בפצעים, אטימת חבילות, תליית תמונות ועוד. בכל השימושים האלה השימוש בדבק הוא חד פעמי, או לכל היותר משמש פעמים בודדות, שכן המשטח הדביק מתכסה אבק ולכלוך המשבשים את יכולת ההדבקה שלו.

כפי שכבר נוכחנו באתגרים אחרים, הדרך האנושית לפתרון היא ליצור תרכובות שונות ומשונות להשגת פתרון חד פעמי, תוך שימוש באנרגיה רבה. חלק מהתרכובות רעילות ורובן אינן מתפרקות בטבע. לא כך הוא המצב בטבע. חוקרים חדי אבחנה שמו לב שלבעלי חיים שונים, ביניהם חרקים, עכבישים ולטאות, מנגנוני הדבקה על רגליהם, המשמשים לטיפוס וליציבה איתנה גם כשהם תלויים במהופך ממשטחים חלקים. יכולת ההדבקה נשמרת גם לאחר הצמדה וניתוק הרגל מהמשטח פעמים רבות, בלי קשר לסוג המשטח ולאופיו.
ידוע כי חרקים שונים מנקים באופן פעיל ותכוף את רגליהם, ויתכן שכך הם נפטרים מחלקיקי אבק ושומרים על יכולת ההדבקה. יצורים רבים אחרים אינם עושים זאת, ולכן נראה שאצלם נשמרת יכולת ההצמדה הודות למנגנון ניקוי עצמי. מנגנון זה קיים במינים רבים שונים, לחלקם מבני הצמדה המורכבים מזיפים או משערות מיקרוסקופיות יבשות (כמו בלטאות), ולאחרים מבנים שכוללים מרפדים (pads) מלאי נוזל, אך החוקרים טרם הצליחו להבינו.
פיצוח הסוד, המאפשר לבעלי חיים אלה לשמור על כושר ההצמדה לאורך חייהם גם בתנאים של לכלוך, יכול להוות בסיס לפיתוחים רבים ושונים. מחקר שפורסם לאחרונה בכתב העת Bioinspiration & Biomimetics חושף צעד נוסף בדרך להבנת המנגנון. המאמר מזכיר מספר הסברים להבנת המנגנון, ביניהם ניקוי כתוצאה מתנועה עצמית של הזיפים וניקוי כתוצאה מכך שכוח המשיכה של המשטח לחלקיקי האבק גבוה מהמשיכה ממבני ההצמדה של בעל החיים. המחקר עצמו בדק מנגנוני הדבקה ברגלי מקלונים (morosus Carausius) , המשתמשים בהפרשת נוזל הן לשטיפת רגליהם והן להגברת יכולת ההצמדה.

החוקרים ביקשו לבדוק אם כמות הנוזל המופרש משפיעה על מידת משיכת חלקיקי אבק למבני ההצמדה; אם הפרשת הנוזל מסייעת בניקוי עצמי של מבני ההצמדה, ואם ניקוי החלקיקים מוגבר כתוצאה מתנועות המשיכה והדחיפה של הרגליים על המשטח. לשם כך עקבו החוקרים אחר עקבות החרקים לאחר שאלה באו במגע עם משטחים מזוהמים בריכוזים שונים של תמיסות, ומדדו את השינוי שחל בכושר ההצמדה שלהם.
התוצאות הראו כי להפרשת הנוזל יש קשר ליכולת הניקוי העצמית של מבני ההצמדה אך הוא אינו חיוני. המחקר לא מצא קשר בין תנועות המשיכה והדחיפה של רגלי החרק והמשטח לבין ניקוי מבני ההצמדה שעליהן. בנוסף, לא נמצא קשר ברור בין כמות הנוזל שעל רגלי החרק, לבין מידת משיכה של חלקיקים מזהמים למבני ההצמדה. עם זאת, נמצא קשר ברור בין כמות הנוזל ויכולת חידוש כוח ההצמדה: כשכמות הנוזל על רגלי החרק הייתה גדולה יותר, יכולת ההצמדה חזרה לרמתה המקורית (לפני זיהומה בחלקיקים) אחרי מספר צעדים מועט יותר. 
החוקרים סבורים כי הנוזל מסייע בחידוש כושר ההצמדה על ידי מילוי החללים שבין החלקיקים, ולא על ידי הסרתם. הפרשת הנוזל מסייעת להגדיל את שטח הפנים של מבנה ההצמדה שבא במגע עם המשטח, וכוחות ההצמדה והחיכוך עולים, על אף הימצאותם של חלקיקים מזהמים. 
למאמר שהתפרסם ב Journal of Bioinspiration and Biomimetics 

מבנה ייחודי של עיני העש כהשראה לבניית תאים סולארים משופרים


 מאת: אופיר מרום

העש, Cameraria ohridella, מוכר ברחבי אירופה כמזיק נפוץ, הפוגע בעליו של עץ ערמון הסוסים. אולם, בחינה מדוקדקת של אותו מזיק חושפת שיש בו יותר מהנראה לעין.

מדענים מאוניברסיטת ג'קובס שבברמן, גרמניה חקרו את המבנה המיוחד של קרנית העין של העש ואת האופן שבו מבנה זה עוזר בשיפור קליטת האור. במחקרם שהתפרסם לאחרונה, מדגימים המדענים איך יכול יישום ממצאים אלה, בתהליכי תכנון ובניה של תאים סולאריים דקים, לשפר באופן משמעותי את יעילותם.
עין העש מורכבת מכ- 400 פנים/פאות. סריקת הקרנית, פני השטח של כל פאה, מצאה שהן מכוסות במערך מסודר של בליטות פרבוליות דמויות פטמות. נמצא שגובה כל בליטה הוא כ- 70 ננומטר  ושהן מופיעות במחזוריות של 200 ננומטר. התופעה, שמופיעה גם אצל חרקים אחרים, נקראת בשמה המדעי  corneal nipples, ומדענים מייחסים לה יתרונות אופטיים בפיזור האור. 
העש Cameraria ohridella התמונה באדיבות Soebe

השפעת גודלן וצורתן של הבליטות על התכונות האופטיות של פני שטח הקרנית נבדקה בעזרת סימולציה ממוחשבת. הממצאים הראו שבליטות פרבוליות, בהשוואה לבליטות בצורת קונוס או דסקיות שנבדקו בניסוי, משפרות את תכונת החזרת האור של המשטח. בנוסף, נמצא שככל שגדל גובה הבליטה, יורד מקדם ההחזרה מפני המשטח, עבור טווח רחב יותר של אורכי גל. המשמעות של ירידה במקדם ההחזרה היא ניצול גבוה יותר של האור הפוגע בפני המשטח. תכונה זו משמשת את העש לראייה טובה יותר, ובאותו האופן יכולה לשפר את הפיכת האור לאנרגיה חשמלית בהתקנים סולאריים. כדי לבדוק ההשערה הזו, נבנה אב טיפוס של תא סולארי דק, מבוסס סיליקון אמורפי, באופן המקובל בתעשייה ובאקדמיה. החוקרים ביקשו לבדוק כיצד ישפיע שינוי טקסטורת פני שטח של התא, מתאים חלקים לבעלי בליטות, על תכונותיו. מדידת היעילות הקוונטית ומקדם ההחזרה הראו, כמצופה, שיפור משמעותי בביצועיו של התא החדש על פני אלה של בעל פני שטח חלק כמעט לכל טווח אורכי הגל. בעקבות השינוי, גדל זרם הקצר במעגל (short circuit current), המדד לזרם המקסימלי שניתן להפיק מהתא, ב-47%. הורדת עלויות הייצור והגברת היעילות הם יעדים מרכזים בתהליכי מחקר ופיתוח של תאים סולאריים. חיקוי הננו-מיבנים המצפים את קרנית העין של העש, לטובת ייצור ציפוי, המוריד את החזר האור מתאים סולאריים, יכול להוות צעד חשוב קדימה בתחום זה.
למאמר שהתפרסם ב Journal of Bioinspiration and Biomimetics
 

מודל מכאני לשריר מלאכותי


לשריר ביולוגי גמישות ועוצמה. מאפייני השריר היחודיים אחראיים על אופי התנועה ועל בקרתה. פיתוחים בתחום הרובוטיקה והפרוסתטיקה ייהנו משימוש באקטואטורים (אמצעי הנעה) בעלי מאפיינים כשל שריר, בהשראת הטבע.

תנועת אורגניזמים רבים מתאפשרת הודות לשריר אלסטי ביולוגי. השריר הינו מבנה מורכב, ומגוון התנועות הרב מצביע על חוזקו ועל גמישותו הרבה. הגמישות והחוזק מתאפשרים הודות ליכולת של השריר לפעול במצבים שונים, כתלות בדינאמיקת הכיווץ והמבנה. בתחומים כמו תנועה רובוטית, עזרים בתחום האורתופדיה ותהליכי שיקום בתחום הפְּרוֹסְתֶּטִיקָה (תחום רפואי העוסק בתכנון איברים מלאכותיים, בעיקר גפיים), יש חשיבות רבה לפיתוח אקטואטורים בעלי יכולות ותכונות הדומים לאלו הקיימים בשריר. חיקוי מבנה השריר באופן מלאכותי הוא אחד האתגרים הגדולים ביותר במדע הביו-רפואה.
נכון להיום, כשמתכננים אקטואטור טכני, בלתי אפשרי להעתיק את המבנה המולקולארי של השריר הביולוגי במדויק. לכן, נשאלת השאלה כיצד יכולים מאפייני השריר להתקיים בשריר מלאכותי, המבוסס על רכיבים מכניים מוכרים.
לאחרונה, הציע צוות חוקרים, מהמחלקה למדעי הספורט באוניברסיטת שטוטגארט בגרמניה, מבנה מכני לשריר מלאכותי, אשר מציג מאפייני כח-מהירות היפרבוליים דומים לשריר הביולוגי.
במחקר זה, מוכיח הקונספט המבני שפותח את ההיתכנות לתכנון מכני של שריר מלאכותי באמצעות מודל פשוט, ובכך מאפשר להטמיע את האקטואטור המכאני במערכות אמת, ולהשוואת את הביצועים שלו למודל הביולוגי.
נסיונות שונים בחנו את  הקשר בין הכוח, קצב האנתלפיה (הפוטנציאל התרמודינמי) והיעילות המכאנית - לעומת מהירות ההתכווצות במודל טכני ובמודל הנומרי. נמצא כי המודל חזה היטב את התוצאות שנצפו בשריר המלאכותי המכאני ובתוצאות סקר הספרות לפרמטרים אלו.
החוקרים מסיקים כי המודל המכני שפיתחו מייצג מודל ישים לפיתוח אקטואטור מלאכותי, אשר יוכל לשמש ליישומים שונים הדורשים אקטואטורים בהשראת הטבע.

למאמר שהתפרסם ב Journal of Bioinspiration and Biomimetics