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 ספטמבר 2012

קוראים יקרים,

בתקופה זו של חגים, כשהסתיו כבר מורגש והגשם הראשון הרטיב את האויר, אנו לוקחים אתכם, בגליון זה של חדש(נ)ות מהטבע דוקא למעמקי הים. בגיליון נספר על עמידות עור הכריש לפגעי השמש, היכולות המתמטיות המופלאות של הדולפינים, שני מחקרים שונים בתחום שינויי הצבע בבעלי חיים ימיים והפיתוח הביומימטי של הרשות האמריקאית לבטחון פנים בחיקוי דג הטונה.


                                                    בברכת קריאה מהנה, וחג סוכות שמח,

                                                       צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי

מה הקשר בין קורא ספרים אלקטרוני ודיונונים?

מאת: יעל הלפמן כהן

מחקר חדש של צוות רב תחומי מאוניברסיטת סינסנטי משווה בין מנגנוני הפקת צבע ביולוגיים וטכנולוגיים, ומדגים כיצד יכולים ביולוגים ומהנדסים ללמוד אלה מאלה.

במשך מיליוני שנים, פיתחו אורגניזמים שונים יכולות מרשימות של שינויי צבע למטרות הסוואה ותקשורת. יכולות ההסוואה מבוססות על התאמת צבע הגוף לצבע הסביבה באמצעות מנגנונים מהירים של שינוי צבע. ידועים בתכונה זו הם הדיונונים, השייכים למשפחת ה- Cephalopods, ועל מערכת ההסוואה המתקדמת שלהם כבר דיווחנו בעבר.
לאחרונה פורסם בנושא זה מחקר חדש של צוות רב תחומי מאוניברסיטת סינסינטי שבארה"ב, בירחון האקדמי "The Journal of The Royal Society Interface". הצוות חקר מנגנוני הפקת צבע ביולוגיים וטכנולוגיים. מטרת המחקר: להנגיש למהנדסים העוסקים בתחום של טכנולוגיות תצוגה ידע אודות מנגנוני הפקת הצבע הביולוגיים מחד, ומאידך להנגיש לביולוגים החוקרים את מנגנוני הפקת הצבע הביולוגיים את הישגי הטכנולוגיה בתחום, על מנת לאפשר העברת ידע בין התחומים.

במהלך שני העשורים האחרונים, התפתחה טכנולוגיה תצוגה של דפים אלקטרוניים, המאפשרת תצוגת מלל ותמונות, בקוראי ספרים אלקטרונים למשל. אך אם נשווה טכנולוגיה זו לתכונה הטבעית, המודגמת בשיאה אצל הדיונונים, נגלה שהטכנולוגיה עדיין מפגרת בביצועים האופטיים.  החוקרים השוו בין שיטות להפקת צבע ושינויי צבע בטבע לעומת שיטות טכנולוגיות, ומצאו שיש בסיס משותף לשתיהן. בשתי הגישות משתמשים בפיגמנטים, כאשר שינוי הצבע מושג על ידי פיזור או דחיסה של הפיגמנט. אופן שינוי הפיגמנט משתנה בין הטכנולוגיה לביולוגיה. המנגנון הביולוגי מבוסס על סיבי שריר המפזרים את הפיגמנט או דוחסים אותו, ואילו המנגנון הטכנולוגי משתמש בשדה חשמלי למטרה דומה. למרות הדמיון הבסיסי, יכולת ההפקה ושינויי הצבע הטכנולוגיים מעולם לא הגיעו לרמת המורכבות והתחכום של המנגנונים הביולוגיים, הבאים לידי ביטוי בעורם של ה- Cephalopods.
יעילות המנגנון הביולוגי מבוססת על ניצול האור הטבעי. עורם של בעלי חיים מחזיר אור להשגת אפקט של בוהק, או קולט אור מהסביבה להשגת אפקטים של צבעוניות, כאשר שינוי הצבע מתרחש בפרקי זמן של אלפיות השנייה. המנגנונים הטכנולוגיים, לעומתם, מבוססים פחות על ניצול אור טבעי ולרוב הם דורשים מקור אנרגיה פנימי . (יוצא מן הכלל הוא הפיתוח של מסך ה-  Mirasol של חברת קוואלקום, המדגים יכולות תצוגה המבוססות על החזרי אור ולא על מקור אור פנימי, פיתוח ביומימטי המבוסס על מבנה הצבעים הפיסיקליים שבטבע).  

יתרון נוסף של המנגנונים הביולוגיים, מעבר ליכולתם לנצל אור טבעי, הוא העובדה שהם מצויים במערכות ביולוגיות בעלות טווח גדלים נרחב, החל מדיונונים קטנים ועד תמנונים גדולים. עוד בולטים המנגנונים הביולוגיים ביכולתם לשנות את טקסטורת פני השטח באופן סלקטיבי. כך, למשל, לדיונונים יכול להיות מופע של עור חלק או מקומט, והם יכולים ליצור מגוון טקסטורות תלת ממדיות, המספקות יכולת נוספת של החזר אור והצללה.
התמונה באדיבות prilfish
אך גם למערכות הטכנולוגיות יתרונות ברורים. היתרון הבולט הוא במהירות החלפת הצבע. הצבע בטבע מוחלף במהירות של אלפיות השנייה, אך הטכנולוגיה מדגימה ביצועים מהירים יותר, ומסוגלת לספק מגוון צבעים רחב יותר. מעניין לציין כי הצבע השחור, למשל, המאפיין מסכים אלקטרונים רבים במצבי המתנה, אינו מושג בטבע ברמת כהות דומה. הסיבה לכך יכולה להיות שלבעלי חיים ימיים אין סיבה הישרדותית אמתית להפוך לשחורים, השחור הכהה עלול להבליט אותם ולחשוף אותם לאויביהם.
המחקר מדגים בצורה יפה כיצד יכולה הטכנולוגיה להיתרם מהביולוגיה, ולפתח מערכות תצוגה משופרות ויעילות אנרגטית מחד, ומאידך מדגים המחקר כיצד יכולים ביולוגים  להבין טוב יותר את האילוצים האבולוציוניים שהובילו להתפתחות המנגנונים הביולוגיים, בזכות ההתפתחויות הטכנולוגיות.
מקור הידיעה

עמידותו של עור הכריש לקרינת השמש

מאת: דפנה חיים לנגפורד

הכרישים אומנם משתזפים בהיחשפם לקרינת השמש, אך השינוי בצבע עורם אינו גורם למחלות עור כפי שקורה לעיתים בבעלי חיים אחרים שאנו מכירים. באמצעות חקר הרכב עור הכריש והמבנה שלו מקווים מדענים לגלות דרכים למניעת מחלות עור בבני אדם, בראשן סרטן העור.

מדענים רבים ברחבי העולם חוקרים את הסיבה לעמידות עור הכריש בפני נזקי השמש. הכריש משנה את צבעו בחשיפה לקרינת השמש, והופך מחום כהה לשחור של ממש. חשיפה לשמש גורמת לעלייה בריכוז המלנין (פיגמנט ביולוגי) בעור ולשינוי הצבע. בדגים אחרים, עשויה חשיפה לקרינת השמש לגרום לסרטן העור, אך הכרישים רק משתזפים. ניסיונות רבים בחשיפת עור כריש לקרינת השמש הובילו למסקנה שעור הכריש עמיד למחלות עור הקשורות בחשיפה לקרינת השמש.
מיכאל סוויט (Michael Sweet), חוקר בבית הספר לביולוגיה באוניברסיטת Newcastle, טוען כי יש לחקור את עמידות עור הכריש למחלות העור ולפתח בהשראתו אמצעי הגנה מהשמש לשימוש האדם.

סוויט ועמיתיו מדווחים על התפרצות של מלנומה (סרטן העור) קשה באוכלוסיות שונות של דגי בר בארה"ב ובאוסטרליה, והם מאמינים שמקור המחלה בחשיפה לקרינת השמש, בין היתר בעקבות ההתחממות הגלובלית, שמעלה את שכיחות הופעת סרטן העור גם אצל האדם.
הכריש, לעומת זאת, פשוט משנה את צבע עורו.
במחקר נוסף שבוצע באוניברסיטת קליפורניה, מצאו החוקרים כי צבע עורם של כרישים צעירים משתנה מצבע בהיר לחום/שחור בהחשפם לקרינת שמש אינטנסיבית. כרישים אלה מצויים, בדרך כלל, בקרבת קרקעית הים, שם נמוכה החשיפה לקרינת השמש והניסוי בוצע בתנאים מבוקרים, במים. אחת ההנחות היא ששינוי צבע עור הכריש קשור להתבגרות, ולאו דווקא לקרינת השמש.
חוקרים אחרים, שחקרו את עמידותו של עור הכריש בפני פגעי השמש, מצאו כי ריכוז נוגדי החמצון בעור הכריש גדול במיוחד. התקווה היא כי הסודות הביוכימיים של עור הכריש ייחשפו, ויאפשרו פיתוח חומרי הגנה מהשמש לשימוש האדם.

רובוט המשנה את צבעו כדי להשתלב או כדי לבלוט בסביבתו


מאת: אופיר מרום

מחקר שפורסם לאחרונה בכתב העת Science מתאר רובוט בהשראת דיונונים ותמנונים המשנה את צבעו בהתאם לצורך.
בעולם החי אין-ספור דוגמאות לבעלי חיים שהמראה החיצוני שלהם משמש להטמעתם או להבלטתם בסביבת מחייתם. למרות מגוון הצורות והצבעים שבהם מופיעים המינים השונים, לאסטרטגיות ההסוואה מוטיבים משותפים; שימוש בצבע ובדוגמאות בהתאם למראה הכללי של סביבת המחייה. וכן שימוש בדוגמאות שלא תואמות את צורת הגוף הכללית ובכך שוברות את צלליתו. יש חיות אשר מאמצות את הצבע ואת הצורה של עצמים דוממים - כמו קבוצת החרקים, המקלונאים. אסטרטגיות של התבלטות בסביבה משמשות לתקשורת, להזדווגות ולצייד, והן חשובות להישרדות של בעל החיים לא פחות מהיכולת להסתוות. מעניינים במיוחד הם בעלי חיים אשר משנים את צבעם בהתאם לתנאי הסביבה הדינאמיים. יכולת זאת אינה פשוטה לחיקוי במערכות מלאכותיות, ומכאן העניין ברובוט החדש, שתוכנן ע"י קבוצת חוקרים מאוניברסיטת הרוורד שבארה"ב. החוקרים טוענים כי המערכת שפיתחו מהווה צעד ראשון לחיקוי תכונותיהם של בעלי חיים משני צבע כמו דיונונים ותמנונים, אשר היוו מקור השראה לפרויקט זה.

הטכניקה לשינוי הצבע מבוססת על הזרמת נוזלים דינמית על פני גוף הרובוט. בתוך שכבה של חומר שקוף וגמיש יצרו מערך של מיקרו-תעלות. השכבה הולבשה על רובוט "רך", בעל יכולת תנועה, שפותח במחקר קודם. בפועל, משנה הרובוט את צבעו על ידי הזרקת דיו בצבעים שונים בתוך המיקרו-תעלות, לקבלת הדוגמאות הרצויות. שכבת המיקרו-תעלות קלה ופשוטה לייצור, יחסית, ואפשר לייצרה בגדלים שונים ובדוגמאות שונות. השימוש בטכניקה של הזרמת נוזלים מאפשר דינמיות רבה. פני השטח של הרובוט משנים את צבעם במהירות. אפשר להשתמש במגוון רחב של צבעים ואפשר להזרים צבעים שונים במקביל. החוקרים אף הדגימו כיצד, בעזרת נוזל פלואורסנטי, אפשר להפוך את הרובוט לזוהר בחושך, וכן להפוך אותו לנראה בתחום האינפרא אדום (IR) על ידי הזרמת נוזלים בטמפרטורות שונות מטמפרטורת הסביבה. בשלב זה, הנוזלים מוזרמים אל פני השטח של הרובוט ממאגר חיצוני, אך בעתיד מתכננים החוקרים שמאגר הנוזלים יורכב על גוף הרובוט.
סרטון המתאר את הרובוט: http://www.youtube.com/watch?v=ZYkOzPBeRlA

מערכת הזרמת הנוזלים תאפשר בעתיד לשפר את התאמת הרובוטים למגוון גדול של יישומים, כמו עבור חילוץ והצלה, ככלי במחקר ביולוגי לאפליקציות רפואיות וכדומה.
מקור הידיעה

מתמטיקה לא-לינארית? תשאירו את זה לדולפינים...

מאת: מאיה גבעון

כשפרופסור טים לייטון צפה בערוץ "דיסקברי", הוא לא ציפה לחוות התגלות, שתוביל אולי, לפריצת דרך מדעית וטכנולוגית.  על המסך הופיעו דולפינים צדים בשיטה ייחודית להם: מקיפים את הטרף המיועד  - להקת דגים - במסך בועות צפוף, המבלבל את הדגים ומונע מהם לברוח. לייטון, פרופסור לאקוסטיקה אולטרה-סונית באוניברסיטת סאות'המפטון, הבין מייד כי ההתנהגות שבה צפה דורשת יכולות מתמטיות משוכללות.
לדבריו, הדולפינים יכלו לבצע זאת באחת משתי דרכים: או שהם "כיבו" את הסונאר שלהם והסתמכו רק על חוש הראייה - אפשרות בלתי סבירה בהתחשב בכך שהסונאר מהווה חוש דומיננטי אצל הדולפינים, בייחוד בעת ציד, או שהם מסוגלים לבצע פעולות מתמטיות מסובכות באופן שמסנן את האותות המוחזרים מהטרף, מתוך האותות המוחזרים ממסך הבועות. כיום,  בידי האדם אין כיום מכשיר סונאר המסוגל לעשות זאת.
דולפינים בהוואי התמונה באדיבות Giles Douglas

הפרופסור וצוותו החלו לחקור את האותות שהדולפינים יוצרים בתהליך האיתור באמצעות הד (אקו-לוקציה, או במקור: echolocation) ולעבד אותם באמצעות מתמטיקה לא-לינארית, במקום באמצעות העיבוד הרגיל של אותות מוחזרים לסונאר. הניסויים צלחו, והוכיחו כי איתור והתבייתות על מטרות נעות, בתוך מים מלאי בועות אכן אפשריים בטכניקה זו. עם זאת, לא ברור אם הדולפינים עצמם אכן משתמשים בחישובים המסובכים הנדרשים להשגת יכולת זו, או לא. על מנת לקבוע זאת בודאות, נחוצות עדיין מדידות ובדיקות של אותות סונאר של דולפינים בטבע בעת שהם צדים במים מלאי בועות.
בעתיד, יכולה התגלית לשמש את האדם לתועלות שונות, הקשורות בעיקר באיתור מעגלים חשמליים מוסתרים כמו מכשירי האזנה ("באגים"), ואף לגילוי מוקשים ימיים. כיום מתגלים מוקשים כאלה, הנמצאים בסביבה חופית ומלאת בועות, אך ורק באמצעות מגע – של בני אדם או של דולפינים שאולפו למטרה זו.

מחקרים קודמים מראים שתפיסות של מספרים, ספירה וכישורים מתמטיים אחרים אינם זרים לדולפינים, וכי יש  להם, ככל הנראה, יכולת מולדת לכך. יכולות דומות התגלו גם בקרב שימפנזים, תוכים, יונים – וככל הנראה בכמה מינים נוספים של בעלי חיים, בדרגות שונות. נותר רק לתהות מה נוכל ללמוד מהמוחות המדהימים הללו.

דג הטונה בשירות הרשות האמריקאית לביטחון פנים

מאת: דפנה חיים לנגפורד

הרשות האמריקאית לביטחון פנים מעודדת מחקר ופיתוח של אמצעים להגנה על החופים, ומסייעת במהלך במשברים אקולוגיים ואחרים. במימון הרשות ובהשראת דג הטונה פותח ה BIOSwimmer , רובוט טונה - לא למאכל.

דגי הטונה הם מהיצורים הימיים המהירים ביותר.הם עבירים ובעלי יכולת תמרון מופלא במהירויות גבוהות ונמוכות כתוצאה כתוצאה ממבנה גופם בעל קווי הזרימה, וממערכות החישה,הבקרה והתנועות המהוקצעות שלהם.

כטורף פעיל וזריז, לטונה גוף חלקלק וזרים (Streamline) והוא מהדגים המהירים ביותר. דג הטונה הצהוב לדוגמה, מגיע למהירות של 75 קמ"ש. דגי הטונה מצטיינים בכל אשר הם עושים, אבל יש להם בעיה אחת מרכזית – הם לא מקשיבים להוראות, בעיקר לא באזורים בעלי סיכון סביבתי...
בהשראת דג הטונה בעל העבירות הגבוהה מממנת המחלקה למדע וטכנולוגיה ברשות האמריקאית לביטחון פנים (DHS )  פיתוח כלי תחבורה ימי, בלתי מאויש, ה-  BIOSwimmer, שהוא בעל גמישות בחלק האחורי וסנפירים באזור החזה, צורה אופטימאלית לתנועה באזורים תת-ימיים בעלי נגישות מוגבלת. התצורה המדוברת מאפשרת בחינה פנימית של ירכתי כלי שיט ומיכלים שונים, כמו-גם בחינה מדוקדקת של סביבות הספינה, ביצוע משימות הגנה על נמלים ומזחים, חיפושים ימיים ומשימות אבטחה שונות.

ה BIOSwimmer מצויד בסוללה, ותוכנן לפעולה ממושכת. כמו כלי רכב ימיים אחרים, הוא מאובזר במחשב לניווט, לעיבוד נתוני החיישנים, וכמובן - לתקשורת. יחידת הבקרה היא מחשב נייד, עם שליטה אינטואיטיבית ופשוטה למשתמש. ייחודיים למערכת זו הם החיישנים החיצוניים, שתוכננו לספק מידע גם בסביבה בעייתית, שבה צמיגות הנוזל גבוהה - כמו באזורי אסון אקולוגיים.
מדעני הרשות האמריקאית לבטחון פנים בוחנים את ה BIOSwimmer
הטונה הוא דג מאכל פופולרי מאוד, וכתוצאה מדייג יתר, נמצאים מינים מסוימים בסכנת הכחדה, והידע הגלום ביצור ימי מופלא זה עלול לרדת לטמיון אם לא נתעשת ונפעל לשימורו.