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 נובמבר 2012

קוראים יקרים שלום ,

החודש בחרנו להרחיב מעט על המעופפים למיניהם: נספר לכם על חברה שמפתחת ומוכרת את השפירית הרובוטית, רובוטים מצויידים בחיישנים בהשראת הדבורה, ותעופתה השקטה של התנשמת. בנוסף נתאר מנגנוני הסוואה מרתקים בטבע ונשווה תהליכי התכנון בטבע לתכנון אדריכלי.

לראשונה בישראל - מוצע לקהל קורס מבוא לביומימיקרי בהיקף אקדמי. הקורס יתמקד בבסיסיים התיאורטיים והמעשיים של דיסציפלינת הביומימיקרי, וישלב התנסות מעשית בפיתוח אתגר ביומימטי. הקורס יועבר ע"י צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי וישלב הרצאות אורח של אנשי אקדמיה ותעשייה. הקורס מיועד למתכננים, מהנדסים, אדריכלים, ביולוגיים, אנשי ניהול והוראה המעוניינים לשלב חשיבה ביומימטית וכלים ביומימטיים בעבודתם.

קורס יפתח באביב. לפרטים והרשמה יש לפנות במייל ל- info@biomimicry.org.il



                                                 בברכת קריאה מעשירה ומהנה,

                                                            צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי

שקט - טסים

מאת: דפנה חיים לנגפורד

התעופה החרישית של עופות ממשפחת הינשופיים מסייעת להם לצוד את טרפם גם כאשר הוא מוסתר. באמצעות מבנה הכנף והנוצות יכולה התנשמת, לדוגמה, להתגנב אל טרפה מבלי שישמע אותה, תוך שימוש באיברי השמע שלה עצמה כדי לזהות את מקום הטרף. חוקרים מאוניברסיטת קיימברידג' שבאנגליה חוקרים את מבנה כנף התנשמת, במטרה להסתייע במודל טבעי זה בהשקטת תעופת מטוסים קונבנציונאליים.

למינים  שונים של ינשופים מגוון מנגנונים, שמטרתם לצמצם את הקול שמייצרות הכנפיים במהלך תעופה. מנגנונים אלה התפתחו במהלך האבולוציה כחלק ממנגנון ההישרדות של עופות ממשפחת הינשופיים. תעופה שקטה לא רק מתעתעת בטרף ומאפשרת את הצייד, אלא, במהלך התעופה אוזני העוף אינן מוסחות מרעש הכנפיים, והן נשארות כרויות לקולות הסביבה, דבר המאפשר להן איכון הטרף ביתר קלות.

כנפיים באשר הן, טבעיות או מלאכותיות, יוצרות טורבולנציה בתנועה באויר. כשמערבולות אלה מגיעות לקצה הכנף, הן מוגברות ומפוזרות כקול. כתוצאה מכך, כלי טייס קונבנציונאליים שכנפיהם ישרות, יוצרים רעש משמעותי.

התמונה באדיבות Justin Jaworski

לתנשמת שלושה מבנים ידועים התורמים לתעופה שקטה: (1) מסרק של נוצות קשות לאורך קצה הכנף, (2) חומר פלומתי מעל הכנף, ו (3) שוליים (פרנז'ים) גמישים בצד הכנף. כיום עדיין לא ברור אם לכל אחד מאלה השפעה משמעותית נפרדת, או שרק השילוב שלהם יוצר את אפקט ההשקטה המשמעותי. 

החוקרים בחנו את המבנים השונים ואת השפעתם על התעופה השקטה באמצעות בניית מודל תאורטי להעברת קול מקצה הכנף - שהוא בדרך כלל מקור לרעש משמעותי בתעופה מלאכותית. מניסויים ראשוניים עולה כי יש קשר בין מהירות תנועת האוויר לעוצמת הרעש ולהפחתה רבה של הקול בתדר גבוה בטווח השמיעה של אוזן האדם.


באמצעות מודלים מתמטיים, הראו החוקרים כי מרקם אלסטי ומנוקב בקצה הכנף יכול לצמצם מאוד את הרעש במהלך תעופה מלאכותית גם במהירויות גבוהות.
ימים יגידו אם בעתיד אפשר יהיה להתגורר ליד שדות תעופה בלי לסבול מרעש המטוסים.

חזונו של לאונרדו דה וינצ'י

מאת: אופיר מרום

במאמציו לפתח את הטיסה המלאכותית, פנה לאונרדו דה וינצ'י, לפני מאות שנים, לחקר בעלי חיים מעופפים, והתמקד בין היתר בחקר השפירית. היום, מממשים מהנדסי חברת  TechJet את החזון בפיתוח שפירית רובוטית.


השפיריות מציגות יכולות טיסה ייחודיות, ומהטובות ברמתן בהשוואה למיני חרקים אחרים. יתרונן נובע מהמבנה האופייני לשפיריות, של שני זוגות כנפיים הנשלטות באופן בלתי תלוי. המיומנות הגבוהה של תנועות הכנף מאפשרת לשפירית לרחף, לטוס מהר קדימה, לעשות סיבובים במהירות, לטוס הצידה ואפילו לדאות. מהיום, בזכות חברת  TechJect, גם אתם יכולים להיות הבעלים של שפירית פרטית משלכם.
 השפירית הרובוטית של  TechJect היא השיא של ארבע שנות מחקר ופיתוח שנעשו באוניברסיטת ג'ורגיה טק, מחקר שמומן בסיוע חיל האוויר האמריקאי. תהליך המחקר הוא דוגמה מובהקת לתהליך מחקר ביומימטי. צוות המדענים שעמל על המלאכה הגיע מאסכולות שונות, והשתתפו בו אנטומולוגים (מדעני חרקים), מהנדסי מכונות ומחשבים. הצוות למד את עקרונות המנגנון שמאפשר לשפירית עליונות אווירית, ולאחר מכן מימש אותם במהלך התכנון והבניה של השפירית הרובוטית.
התוצאה היא מוצר שאין כדוגמתו. מיקרו מל"ט (מטוס ללא טייס) וורסטילי, המשלב יכולת התקדמות מהירה כשל מטוס, ויכולת ריחוף כשל מסוק. מעבר לדמיון בעיצוב מבנה הכנפיים, דומה השפירית המלאכותית של  TechJect בצורתה ובממדיה הפיזיים לשפירית חיה. אורכו של הדגם הראשון שיצא לשוק כ-15 ס"מ, משקלו כ-25 גרם, והוא מונע על ידי סוללת פולימר ליתיום של 250 mAh, שמאפשרת זמן ריחוף של 8-10 דקות וזמן היברידי (ריחוף/טיסה) של 25 עד 30 דקות. אפשר לשלוט מרחוק בשפירית  גם בעזרת סמארטפון או טאבלט. תהליך התכנון נעשה בדגש על התאמה מודולארית, גם ברמת החלקים וגם בזמינות של חבילות בקרת טיסה שונות. החברה אף מספקת ערכת פיתוח תוכנה בקוד פתוח, כדי שכל משתמש יוכל להתאימה באופן אופטימאלי לצרכיו ולשתף את העדכונים עם משתמשים אחרים. השפירית הרובוטית יכולה לשאת עד 20 חיישנים משולבים, ובכך יכולה להתאים למגוון רחב של יישומים, בהם צילומי אוויר, משחקים, מחקר ופיתוח, ביטחון אזרחי וסיור צבאי. 
כיום נמצאת החברה בשלב של גיוס כספים, אותו בחרה לעשות על פי מודל של מימון ההמונים (crowd funding). החברה מציעה לרכוש מראש דגמים ברמות שונות של המוצר, ובמחיר מופחת. כבר בעת כתיבת שורות אלה, זמן רב לפני סוף מועד הגיוס, גייסה החברה יותר מפי שניים מהסכום המינימאלי שהציבה לעצמה, ומכרה כמעט את כל הדגמים שהקצתה. מי שרוצה לעזור במימון החברה, ולהיות בין הראשונים שברשותם שפירית רובוטית, מוטב שיזדרז.

אורגניזם החודש – הרואה ואינו נראה


מאת: מאיה גבעון
בעלי חיים רבים פיתחו יכולות הסוואה מרשימות כדי להגן על עצמם מפני טורפים. הגדילו לעשות דגי הים הפתוח, לרוב אלה החיים בלהקות, כמו ההרינג והסרדינים, המסוגלים להחזיר אור מגופם הכסוף וכך לבלבל את טורפיהם, המתקשים לאתר אותם בין הנצנוצים המוחזרים מפני המים. לאחרונה התברר שהתכונה הזו מופלאה עוד יותר משחשבנו: היא לא רק מונעת מהטורף להתמקד בטרף, אלא מעלימה אותו כמעט לחלוטין מעיניו.
התופעה מתאפשרת הודות למבנה החיצוני של קשקשי הדג, שגורם לקרני האור הפוגעות בהם לחזור באופן מקוטב. קיטוב אור מתרחש כאשר כל האור הפוגע בעצם כלשהו מוחזר כשהוא באותו מישור. קיטוב האור המוחזר מעצם מסוים מפחית באופן משמעותי את כמות האור המוחזרת ממנו, ומקשה על האבחנה בו.
 ידוע כי תכונת קיטוב האור מדגי ים כסופים מתאפשרת בזכות קריסטלים של תרכובת הנפוצה בגרעין התא, בסיס חנקני בשם גואנין, המתגבש בעורם של הדגים. צוות חוקרים מאוניברסיטת בריסטול, החוקר את התכונות הביולוגיות שמעניקות לדגים כסופים את יכולתם לחמוק מעיני הטורפים, פרסם לאחרונה מחקר, ששינה את התפיסה הרווחת לגבי אופן פעולת המנגנון. מסתבר, כי למעשה קיימות שתי שכבות של קריסטלי גואנין על שטח הפנים של הדג, ושילוב ההשפעה של שתי השכבות גורם לא רק לקיטוב האור המוחזר מהן, אלא שומר גם על רמת החזר גבוהה מגוף הדג. השילוב הייחודי הזה, בין קיטוב והגברת ההחזר, יוצר אשליה אופטית, שמגבירה את החזר האור מהדגים הכסופים בכל הזוויות, והופכת אותם לבלתי נראים בתנאים מסוימים של תאורה.  
אילו יישומים ניתן לשפר בעזרת המידע החדש מהדגים? כיום קיימים עזרים אופטיים שונים להפוך אור למקוטב, בהם משקפיים ועדשות שונות, פנסי LED, סיבים אופטיים ואמצעי ביטחוניים שונים להסוואה ולאיתור. החומרים המאפשרים את הקיטוב אינם אידיאליים מבחינת השפעתם על הסביבה, והם מיוצרים בתהליכים הכוללים, לעיתים, חומרים שאינם מומלצים לבריאות. המנגנון שיש לדגים עוקף את החסרונות האלה, שכן הוא נוצר בתוך אורגניזם חי ואינו כולל חומרי לוואי בלתי מתפרקים. יתכן שההבנה של החומרים ושל המנגנון יספקו לנו דרך חדשה ומקיימת יותר להשגת האפקט הנחשק של שליטה באשליות אופטיות. 

דבורה רובוט

מאת: זיו כהני

כבר ברשימות קודמות, ראינו שגופי מחקר רבים מפתחים רובוטים (בעיקר לשימושים צבאיים וביטחוניים), המחקים חרקים שונים. באוניברסיטת שפילד שבבריטניה כבר עברו לרובד הבא של מחקר טכנולוגי של החרקים, ומפתחים תוכנה שמחקה את מוח הדבורה.

התוכנה מתמקדת בחוש הראיה ובחוש הריח של הדבורים. בדרך זו רוצים החוקרים להשיג את החיקוי הקרוב ביותר לתנועת הדבורים האמיתית, ולהטמיע את ה"חושים" ברובוטים הקיימים היום, המבוססים בעיקר על הביו-מכניקה של הדבורים.
החוקרים טוענים שהרובוט ידע לפתור בדרך זו בעיות מורכבות יותר, כאלה שהרובוטים הקיימים כיום אינם מסוגלים לפתור. דוגמה לאינטגרציה כזו היא גילוי דליפת גז על ידי שימוש במכלול של חוש הריח ויכולת התנועה המכאנית של הדבורים. ה"דבורובוט" ימצא, למעשה, את הדליפה בצורה אוטומטית, בלי שנכוון אותו למקום מסוים. השאיפה היא שהרובוט יוכל גם "לצבור ניסיון וידע", וישתפר ככל שיבצע יותר פעילות.
לצורך חיקוי מוח הדבורה נעשה שימוש בחומרה היי-טקית ברמה גבוהה, כולל מעבדים גרפיים, רכיבי עיבוד תמונה תלת-מימדית ועוד. לאור שימוש בחומרה שכזו, ברור כבר עכשיו לחוקרים שעל אף שמוח הדבורה נחשב פשוט יחסית, החוקרים יצטרכו, על מנת לעבד את כל הנתונים בזמן אמת, לעשות שימוש במחשב סופר-מתקדם.


תהליך נועד לייצר תובנות משמעותיות מתחום האינטיליגנציה המלאכותית, כאשר אחת השאלות הגדולות מבחינת המחקר היא מה מניע ומה קובע את ניווט הדבורה בסביבה. ניווט זה קובע, למשל, את תהליך ההאבקה הטבעי שמבצעות הדבורות בטבע עבור פרחים.
התוכנה אמורה להיות מוטמעת ברובוט מכני המחקה דבורה, שפותח באוניברסיטת הארוורד, וכך ליצור את "הדבורה המלאכותית" השלמה.
עכשיו אנחנו צריכים רק לברר מי ישמור על זכויות הדבורים, כשהן יפגינו לאחר שיגלו כי רובוטים מחליפים אותן....

למקור הידיעה


 

עקרונות תכנוניים בטבע ובאדריכלות

מאת: יעל הלפמן כהן

העברת ידע מהטבע לאדריכלות מתאפשרת בזכות הדמיון בין תהליך התכנון האדריכלי והתהליך האבולוציוני. ההבדל בין התהליכים מעיד על הפוטנציאל הגלום בלמידה בינתחומית זו. חסמים טכנולוגיים שנפתרו בשנים האחרונות מאפשרים יישום עקרונות תכנוניים מהטבע בתחום האדריכלות.
תהליך התכנון האדריכלי ותהליך האבולוציה בטבע דומים במספר היבטים. כך, למשל, שניהם תהליכים לא דטרמיניסטיים מאחר וקריטריוני ההערכה ומטרות הפיתוח של תהליכים אלה משתנים, ומותאמים במהלך התהליך. נקודת דמיון נוספת היא השאיפה לתת ביטוי למספר פרמטרים, שלעיתים סותרים זה את זה, ולא להתמקד באופטימיזציה של פונקציה ספציפית (מטרה המאפיינת תכנון הנדסי). האופטימיזציה אפשרית בארכיטקטורה רק עם כמה פרמטרים טכניים או כלכליים (למשל אופטימיזציה של צריכת אנרגיה או חומר), אך היא אינה מאפשרת הערכה של תכונות כמו אסתטיקה או מרחב האיכויות העירוניות, שהן חיוניות לא פחות לארכיטקטורה מקיימת ומוצלחת. בטבע התאימו אורגניזמים עצמם, במהלך האבולוציה, באמצעות ברירה טבעית והתאמה לדרישות המשתנות של הסביבה. התוצאות הן פשרה במענה לדרישות סותרות, בניגוד לאופטימיזציה של פרמטר ספציפי. לאור ההיבטים המשותפים בין תהליכי התכנון האדריכלי והתכנון בטבע, נשאלת השאלה כיצד יכול תחום הביומימיקרי לספק תובנות חדשות לשדה הארכיטקטורה. בנושא זה עוסק מחקרם של Knippers & Speck , שפורסם השנה בירחון האקדמי Bioinspiration & Biomimetics.

לצד הדמיון בין תהליכי התכנון האדריכליים ותהליכי התכנון בטבע, קיימים גם הבדלים בסיסיים. כך למשל, מבוססת החדשנות האבולוציונית על מבנים ועל הפונקציות הרלוונטיות שלהם. כל מבנה מורכב מתת מבנים הבנויים מרכיבים דומים, ולכן במובן זה לא ניתן להפריד בין חומר למבנה. בארכיטקטורה, לעומת זאת, פונקציות שונות, כמו: מעטפה תרמית, הפרדה מרחבית, שירותי המבנה והעברת עומס, מוקצות לרכיבים שונים. הצורה הגיאומטרית לא תמיד קשורה לגיאומטריה של המבנה, בעיקר כאשר המניע התכנוני הוא אסתטי. בטבע, תומכות אבני הבניין הבסיסיות במבנה וגם נושאות חומרים המעוררים תגובות כימיות וסיגנלים מולקולאריים. ניתוח המבנים הטבעיים מראה, מנקודת מבט הנדסית, שהם מורכבים ממספר קטן יחסית של פולימרים (פרוטאנים, פוליסכרידים, שומנים, חומצות גרעין ועוד). תאים בודדים יוצרים רקמות, ואלה יוצרות איברים בעלי פונקציות שונות.

מבנים טבעיים לרוב אינם איזוטרופיים (תלויי כיוון), אך לעיתים הם מורכבים מסיבים כמו צלוליט או קולגן, שלהם תכונות תלויות כיוון. התכונות השונות של המבנים מושגות על ידי צורות אריזה ווקטורי כיוון משתנים של הסיבים. להטרוגניות כימית ומבנית תפקיד מהותי בהתאמה המקומית. מבנים טבעיים מורכבים ממספר רכיבים מצומצם המשתנים גיאומטרית, פיסית וכימית, בניגוד למבנים אדריכליים המורכבים מחומרים שונים ומרכיבים פונקציונאליים שונים (פלדה לשלד, זכוכית למעטפת וכדומה). לאור הבדלים אלה נשאלת השאלה האם יכולים הצורה המורפולוגית ועקרונות הפונקציה בטבע לשמש מקור ידע והשראה לתכנון מבנים ארכיטקטוניים יעילים.

כותבי המאמר זיהו מספר עקרונות תכנוניים המאפיינים מבנים טבעיים, אשר טרם יושמו בארכיטקטורה. יישום עקרונות אלה יכול לקדם חדשנות מקיימת במבנים אדריכליים:

• הטרוגניות - מבנים טבעיים מאופיינים בשונות גיאומטרית של הרכיבים שלהם, ובהתאמה מקומית של התכונות הפיסיות או הכימיות שלהם.

• אניזוטרפיה (תכונות תלויות כיוון) - מבנים טבעיים רבים מורכבים מחומרים מורכבים ברמת הסיבים, המבוססים על סיבים אנזיטרופיים.

• היררכיה - מבנים ביולוגיים מאופיינים ברמה גבוהה של היררכיה, מרמת הננו לרמת המקרו. בכל רמה רכיבים מוליקולריים דומים. במבנים ארכיטקטוניים יש מעט התייחסות לנושא ההיררכיה, ומושג של היררכיה טרם נחקר וטרם מומש.

• רב תפקודיות - סיבים בוטניים, למשל, משמשים גם למטרות מכאניות וגם לפונקציות פיסיולוגיות. בארכיטקטורה לא מוכרתטקסטורה אחידה שיש לה מספר פונקציות.

נראה, שאחד החסמים למימוש הפוטנציאל הגלום במימוש העקרונות האלה בשדה האדריכלי היה חסם טכנולוגי. חסם זה נפתח בשנים האחרונות, עם התפתחות יכולות למידול דיגיטלי ויכולות של תהליכי תכנון וייצור מתקדמים, המאפשרים נגישות למודלים ביולוגיים. טכנולוגיות תכנון אלה מאפשרות רמה גבוהה יותר של שונות גיאומטרית, והעברה של המורפולוגיה הטבעית לארכיטקטורה.

למקור הידיעה