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 אפריל 2013

קוראים יקרים שלום,

ביום שני, ה 27 במאי יתקיים לראשונה כנס אקדמי ראשון בישראל בתחום הביומימיקרי. כנס היסוד "ביומימיקרי: ללמוד מן הטבע" הוא פרי שיתוף הפעולה של ארגון הביומימיקרי הישראלי והמכון הטכנולוגי בחולון. בכנס ישתתפו מרצים מהטכניון, אוניברסיטת בן גוריון, אוניברסיטת תל אביב, האוניברסיטה העברית, המכון הטכנולוגי בחולון, מכללת אורנים, בצלאל, ושנקר בארבעה מושבים בתחומי ההנדסה, החומר, העיצוב והחינוך. הקהל מוזמן, הכניסה חופשית. לתוכנית הכנס ולהרשמה.

החודש נפתח הקורס "מבוא לביומימיקרי- חדשנות סביבתית בהשראת הטבע". נבחרת רב תחומית של מהנדסים, אדריכלים, מעצבים, מנהלים, יזמים ואנשי חינוך החלה לתרגל חשיבה ביומימטית ולהעמיק ביסודות הדיסציפלינה. עדכונים אודות הקורס ניתן לקרוא בדף הפייסבוק של ארגון הביומימיקרי הישראלי.

בגיליון זה נתחיל בסדרת כתבות אודות עקרונות החיים, נדווח על התחרות הבינלאומית בתכנון ביומימטי ונעסוק בנחילי נמלים וחומרים ביומימטיים.

בברכת קריאה מהנה,

צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי

עקרונות החיים – הקווים המנחים לקיימות בטבע

מאת: מאיה גבעון

אם אתם מנויים על עדכון זה או רק מציצים בו מידי פעם – אתם ודאי כבר משוכנעים שמאחורי רעיון הביומימיקרי יש פוטנציאל ענק וחוכמה רבה, כפי שמשוכנעים חברים בצוותי מחקר ופיתוח רבים ברחבי העולם. הרעיון לפנות לטבע על מנת להגדיל את מאגר הפתרונות והרעיונות הזמינים לנו, ולחקות אותם באופן מושכל, נראה הגיוני וכמעט אינטואיטיבי, אך כשמגיעים לרמת הפרקטיקה, אנחנו זקוקים למורה נבוכים. מיליוני מינים של אורגניזמים, מחקרים שונים ומשונים זמינים – מאיפה מתחילים? ועל פי מה מחפשים? וכשמוצאים, איך מסננים ומוודאים שמה שמצאנו אכן מהווה פתרון מקיים ומתאים?

בקיצור, נדרשת מתודולוגיה לסייע בעבודה המעשית של פיתוח מודל ביומימטי.

עקרונות החיים פותחו על ידי המכון האמריקאי לביומימיקרי כסט, שאמור לסייע ולשמש ככלי במהלך עבודת תכנון וחשיבה ביומימטית. כל אחד מעקרונות החיים מייצג דפוס חוזר, שזוהה על ידי חוקרים באורגניזמים ובמערכות שונות בטבע. הדפוס מרמז על אסטרטגיית הישרדות (= קיימות), שניצחה את מבחן הזמן ולכן היא ככל הנראה אפקטיבית ומתאימה לתנאי הסביבה. העקרונות משותפים למגוון אורגניזמים.

שתי אסטרטגיות מרכזיות כוללות את כל עקרונות החיים ומכילות אותם: החיים יוצרים תנאים שמעודדים חיים (life creates conditions conducive to life) ו-החיים עוברים התאמה ושינוי (life adapts and evolves)

האסטרטגיה הראשונה משמעותה שיצורים השורדים על פני כדור הארץ מותאמים לתנאי מערכת ההפעלה שלו, לחוקי הפיזיקה ולמגבלות הסביבה. מעבר לכך, יצורים ששורדים כאן, לא רק מכבדים את תנאי המערכת, אלא תורמים בעצם קיומם להמשכיות ולהיווצרות חיים.
האסטרטגיה השנייה הכרחית משום שתנאי הסביבה משתנים באופן תמידי. בשאיפה לשימור מצב קבוע, פחות או יותר, שיאפשר הישרדות ואף שגשוג כשהתנאים החיצוניים משתנים, חייבים האורגניזמים להגיב בשינוי, בהתפתחות ובהתאמה מחודשת לסביבתם.

להלן מובאים שני עקרונות לדוגמא. את רשימת העקרונות המלאה תוכלו למצוא כאן.
שינוי לשם הישרדות
עקרון זה מתייחס לשינוי אבולוציוני, כלומר שינוי שמוטמע בחומר הגנטי ונשמר לאורך דורות רבים של המין. מנגנונים המזוהים עם עיקרון זה הם שכפול אסטרטגיות מוצלחות – פתרונות מוצלחים המסייעים להישרדות משוכפלים, הן על ידי הופעה בגנום, והן על ידי למידה מתוך חיקוי של פרטים אחרים; שימוש בתקלות ובבלתי צפוי – מוטציות הנוצרות כתקלה חד פעמית בשכפול הגנום. חלקן מובילות לכשלים ואף למוות, וחלקן מובילות לשיפורים ואף לפריצות דרך וליצירת ידע חדש, תוך אלתור ושיחלוף ידע קיים.



תושייה, ויעילות בשימוש באנרגיה ומשאבים
שימוש במשאבים, וניצול הזדמנויות באופן יצירתי אך מחושב, מאפיינים את כל היצורים החיים. אורגניזמים ששורדים לומדים לנצל משאבים חומריים ולא חומריים (אנרגיה ואינפורמציה) באופן יעיל. כולם משתמשים במה שבסביבתם, ובאופן יעיל וחסכוני, תוך יצירת מינימום חומרי לוואי. מנגנונים המזוהים עם עיקרון זה כוללים שימוש בעיצוב רב שימושי - פתרון אלגנטי אחד נותן מענה למספר צרכים (למשל: ניבים של אריות הים משמשים אותם הן להגנה בקרבות מול זכרים אחרים, הן למציאת מזון בקרקעית הים והן להיאחזות במדפי קרח); תהליכים חסכוניים באנרגיה - ניצול זרמי אנרגיה טבעיים והימנעות מהשקעת אנרגיה נוספת הוא מנגנון נפוץ, למשל בהפצת זרעים ממינים שונים; שימוש חוזר מקסימאלי בחומרים – בטבע "פסולת" של אורגניזם אחד מנוצל על ידי אורגניזם אחר. המחזור מתרחש תוך מערכות של יחסי גומלין בין חלקים שונים של המערכת. בני אדם ממחזרים נייר לנייר, קרטון לקרטון – או במקרה הרווח יותר, הופכים את החומר למוצר נחות יותר ,כמו נייר לנייר טואלט, בדים לסמרטוטי רצפה וכדו'). בטבע איכות התוצר הממוחזר אינה יורדת, שכן הוא תמיד משמש למישהו במערכת באותה מידה של חשיבות כפי ששימש את קודמו בשרשרת. עלים לא הופכים חזרה לעלים ישירות. הפחמן – יסוד נפוץ מאוד בטבע, מתגלגל הלאה, למזון לבעלי חיים בקרקע או לצמחים חדשים. יסודות יותר נדירים מאוחסנים על ידי העץ בתאים בתוך התאים לשימוש חוזר.

העבודה במכון הביומימיקרי האמריקאי להבנה ושיפור הדיוק של עקרונות החיים נמשכת, וניסוח העקרונות ממשיך להתעדכן. העקרונות המשקפים תבניות עמוקות החוזרות בטבע, יכולים לשמש ככלי עבודה ומסגרת חשיבה למבקשים להשתמש בחוכמת הטבע בפיתוחים אנושיים.
בגיליונות הבאים נכיר עקרונות נוספים מתוך עקרונות החיים, ואת המנגנונים המייצגים אותם באורגניזמים שונים בטבע.

איך מוציאים אוויר ממים?

מאת: יעל הלפמן כהן

קבוצת סטודנטים מקנדה עלתה לשלב הגמר בתחרות הבינלאומית לתכנון ביומימטי, עם פתרון חדשני להוצאת אוויר לכוד מצנרת מים בהשראת זימים של דגים.

התחרות הבינלאומית לסטודנטים בתכנון ביומימטי התמקדה השנה בנושא טכנולוגיות מים. האתגר שקיבלו הסטודנטים היה לבחון כיצד מנהל הטבע את המשאב היקר של המים, וליישם ידע זה בניהול משופר של מערכות מים. 68 צוותים מרחבי העולם, ביניהם גם צוות ישראלי מהמכון הטכנולוגי בחולון, הגישו פתרונות ביומימטיים לאתגרים בתחום טכנולוגיות המים.

לאחרונה נמסרו תוצאות השלב הראשון של השיפוט, והזוכָה בשלב זה היא קבוצת סטודנטים להנדסה אזרחית מאוניברסיטת טורונטו, שהגישה פתרון להוצאת אויר לכוד מצנרת מים בהשראת זימים של דגים.
במערכות הובלת מים המכילות אוויר לכוד, נדרש לחץ גבוה יותר לשאיבת המים. בנוסף לאובדן האנרגטי, המוערך בכ- 20% השקעת אנרגיה עודפת לשאיבת המים (יחסית לצנרת ללא אויר לכוד), לחץ עודף זה עלול לגרום לדליפות, המסתיימות באובדן יקר של מים או בחדירת מזהמים למי השתייה. פתרונות קיימים לשאיבת מים, לרבות משאבות ומסתמים, אינם יעילים ולא תמיד מצליחים לפתור את הבעיה.
הסטודנטים מדווחים שהם עברו בין אתגרים תכנוניים בתחום המים לבין אורגניזמים להשראה, עד שמצאו את ההתאמה האידיאלית בין האתגר של הוצאת האוויר מהצנרת לבין מערכות הזימים בדגים. "כאשר התבוננו מקרוב בזימים, הבנו שהפתרון הטבעי המיושם בזימים יכול להיות מועתק ליצירת מתקן יעיל, סתגלני ורב תפקודי", מדווחים הסטודנטים.


הזימים בנויים מקרומים דקים, עשירים בנימי דם, המובילים תאי דם הפולטים למים פחמן דו חמצני וקולטים מהם חמצן. תהליך חילוף הגזים מתבצע באמצעות דיפוזיה (מפל ריכוזים). יעילות הספיגה מוגברת על ידי שימוש במנגנון זרם נגדי. הזרימה בנימים המובילים דם שטרם ספג חמצן הפוכה לכיוון הזרימה בנימים הספוגים חמצן, וכך נשמר מפל ריכוזי חמצן קטן אבל אחיד לכל אורך הנימים. באופן אנלוגי, התכנון המוצע מבוסס על מיקום של ממברנה חדירה לאוויר (אך לא למים) לאורך הצינור, המאפשרת לאוויר לזרום לאורך הצינור בניגוד לכיוון זרימת המים, ולהשתחרר בצורה מבוקרת מהמערכת.
הצוות זכה ב- 2,500 $ ויעלה לגמר, שם יידרש להציג פתרון קרוב יותר ליישום. ההכרזה על הקבוצה הזוכה תתקיים בוועידת ביומימיקרי לחינוך, שתתקיים בארה"ב בחודש יוני הקרוב.

למידע נוסף


ממתי לנמלים יש אנטנות?

מאת:  זיו כהני
מדענים הצליחו לחקות את תנועת נחיל נמלים בעזרת רובוטים מיניאטוריים (בגודל של קוביית סוכר).
קבוצת מדענים מהמוסד הטכנולוגי בניו ג'רזי וממרכז המחקר לפסיכולוגיה של חיות מטולוז (צרפת) הצליחו להבין את היכולת של נמלה למצוא את האוריינטציה שלה כאשר היא נעה כחלק מנחיל מחוץ לקן, בעיקר למטרות חיפוש מזון, והצליחו לחקות אותה.
כאשר הנמלים נעות בטבע בנחיל הן מפרישות פרומונים. כל נמלה קולטת ב"אנטנה" שלה את הפרומונים המופרשים בסביבתה, ולפי מה שקלטה היא יודעת לנוע ביחס לנחיל שלה.
את התופעה הזאת חיקו המדענים בנחיל רובוטים, כאשר כל רובוט "מפריש" שובלי אור אותם קולטים הרובוטים האחרים בעזרת סנסורים. למעשה, בניסוי מוחלף הפרומון (אות כימי) באור (אות פיזיקלי).

                             תמונת הרובוטים.
                            באדיבות Simon garnier, new jersy institute of technology

בתחילת הניסוי היו הרובוטים במבוך, שבחלק ממנו לא היו שובלי אור. הרובוטים אימצו "תנועה חוקרת", בדומה לתנועה בנחיל בטבע, שהיא רנדומלית אך לפי כיוון כללי ברור. דבר זה הוביל את הרובוטים לסטות בצורה מינימלית בנקודות התפצלות, ולתקן ע"י קליטת שובלי אור.
אחד הדברים המדהימים שהמדענים גילו, שלא היה בכלל צורך לתכנן את הרובוטים כך שיכירו את הגיאומטריה של המבוך, ולמרות שתוכננו לתנועה רנדומלית לחלוטין, הם נעו בכיוון הנכון ע"פ קליטת שובלי האור. בהתחשב בכך שלנמלים יש חוש ראיה גרוע, והן נעות מהר מדי מכדי להתחיל לבצע חישובים כמו רובוטים, זה די מדהים...
נושא חוכמת הנחילים הוא בסיס לבניית תוכניות שרשרת אספקה, לוגיסטיקה, שילוח וכדומה בחברות רבות בעולם.

לצפיה בסרטון אודות הניסוי
למקור הידיעה

קל יותר, חזק יותר, קשיח יותר

מאת: אופיר מרום

זיהוי דפוסים בעולם החומר בטבע מאפשר הבנת העקרונות המבניים של חומרים טבעיים, וקידום פיתוחם של חומרים ביומימטיים.
הטבע הוא מקור השראה וידע לפיתוח חומרים. הנדסת החומרים, שנשענה עד כה בעיקר על ידע פיסיקלי וכימי, מתחילה להתבסס גם על ידע ביולוגי. לצורך הנגשת הידע הביולוגי למהנדסי חומרים מזוהים בעולם החומר בטבע דפוסים, אשר מהווים פתרונות לאתגרים הנדסיים. ג'ואנה מקיטריק ומארק מאיירס מאוניברסיטת קליפורניה שבסאן דייגו, החוקרים יותר מעשור את תחום העקרונות המבניים בטבע, השתמשו במגוון רחב של כלים מתקדמים, ופיתחו בדיקות עבור תכונות מכאניות של חומרים ננומטרים, כדי להבין את המבנה הבסיסי של חומרים שונים בבעלי חיים ובצמחים. בסקירה מקיפה שפרסמו לאחרונה במגזין science הם מתרכזים בשלושה מאפיינים של חומרים ביולוגים: קלות משקל, קשיחות וחוזק. לפי תפישתם, הבנת העקרונות המאפשרים את מימוש המאפיינים הללו יקדם פיתוח חומרים ביומימטיים.

איך נוצרים בטבע חומרים קשיחים?
חומרים קשיחים מסיטים סדקים על ידי הצבת מכשולים שונים, המונעים מהסדקים להתפשט בקו ישר, לגדול ולהפוך לשבר. לחומרים בטבע אסטרטגיות שונות להשיג את התוצאה הזאת. אחת מהן היא להטמיע סיבי קולגן מתיחים במינרלים פריכים, ואסטרטגיה נוספת היא שימוש בממשקים בין שכבות החומרים כדי ליצור מכשולים. דוגמא יפה לכך היא מבנה הצדפה של האבלון (Abalone). הצדפה בנויה מאריחים זעירים של קלציום קרבונט, המצופים בשכבה דקה של חומר אורגני רך, שהוא חזק מספיק לקשור בין האריחים, אך חלש דיו כדי לאפשר להם להחליק זה על זה ולספוג אנרגיה בתהליך.



איך נוצרים בטבע חומרים קלים שעמידים לכיפוף?

אצל חיות רבות קיימים מבנים עמידים למאמצים, שהם בד בבד גם קלים במשקל, מבנים המאפשרים להם יכולת תנועה ומעוף. לרוב בנויים חומרים אלו ממבנים דמויי צינורות חלולים, העשויים מחומרים דקים וקשיחים. ככל שהקוטר של הצינורות גדול יותר עולה הנטייה שלהם לקרוס תחת מאמץ. כדי להגביר את עמידותם, יש בטבע פתרונות שונים לחיזוק פנימי, כמו: הוספת פיגומים פנימיים (עצמות הכנפיים של מגוון ציפורים), דיסקיות לחיזוק (בענפי במבוק), או מילוי בחומר דומה לקצף, כמו בקוציו של הדורבן או במקור של ציפור הטוקן.

איך נוצרים בטבע חומרים חזקים?

 ביו-פולימרים, כגון קולגן, הם מרכיב מרכזי בחומרים טבעיים חזקים. תחת מאמצים נמוכים, הם יכולים לעבור מתיחה ניכרת, הסלסול הפנימי של המולקולות נמתח ונפרם מבלי להישבר. תחת מאמצים גבוהים יותר, נמתח עמוד השדרה של הפולימר עצמו. ביו-פולימרים אלה נמצאים בין מינרלים נוקשים, ודבר זה נותן לחומרים את כוחם הטבעי. דוגמא יפה לכך הם הסיבים של קורי העכביש. חומר זה, הידוע כאחד החומרים החזקים בטבע, בנוי מננו-קריסטלים, המורכבים מאוסף של ממשטחי בטא הקשורים אחד לשני בקשרי מימן הנחשבים חלשים. תחת מאמצים נמוכים ההתנהגות דומה לזו של סיבי הקולגן, אך כשהמאמץ עולה העומס עובר אל הננו-קריסטלים. אם יש צורך, חלק מקשרי המימן מחליקים זה על זה כדי לאפשר לסיבים להימתח מבלי להיקרע. העובדה שקורי העכביש נסמכים על קשרי המימן מראה שיש לחוקרים אפיקים חדשים להתקדמות, בדרך למציאת חומרים חזקים יותר.

למקור הידיעה

קשקשים חכמים

מאת: יעל הלפמן כהן

קשקשי האצטרובל ידועים ביכולתם להיפתח ולהיסגר בתגובה לרמות הלחות באוויר. במחקר זה יושם העיקרון המבני של קשקשי האיצטרובל באמצעות מבני ג'לטין ותחמוצת ברזל, המדגימים את התגובה לרמות לחות וטמפרטורה שונות.

חומר בעל זיכרון צורה הוא סוג של חומר "חכם", המסוגל לשנות צורה בתגובה לגירוי חיצוני. חוקרים מהמכון הטכנולוגי ETZ שבציריך יצרו משהו מעט שונה. בהשראת אצטרובל האורן הם פיתחו תהליך, המאפשר לטווח רחב יותר של חומרים להשיג טווח רחב יותר של צורות.
הפרויקט, בניהולו של פרופ' אנדרי סטודרט, התחיל במחקר לגבי האופן שבו נסגרים קשקשי האורן כאשר הם רטובים ונפתחים כאשר הם יבשים. מסתבר שכל קשקש מורכב משתי שכבות העשויות מאותו החומר. סיבים נוקשים בכל אחת מהשכבות האלה מונחים בכיוון אחד בשכבה אחת ובכיוון אחר בשכבה השנייה. בתגובה ללחות, שתי השכבות מתנפחות, אך כיוון הסיבים גורם להם להתנפח בכיוונים שונים. התוצאה היא שצד אחד של הקשקש נמתח לאורך כאשר הצד השני מתעקם. כתוצאה מכך הקשקש נסגר.


                                    תמונה מאת Fir0002 תחת רישיון GNU 1.2

בעבר כבר שמענו על פיתוח בדים חכמים, המבוססים על מבנה השכבות של האצטרובל המאפשר אוורור של הבד בתנאי אקלים לחים. מחקר זה מתמקד ביישום העיקרון המבני (השונות בכיווניות הסיבים בין שתי השכבות) לפיתוח חומרים חדשים. החוקרים לקחו חומר בעל יכולת תפיחה, ג'לטין, והוסיפו לו חלקיקי תחמוצת אלומיניום כתחליף לסיבים. את התערובת שפכו לתבניות מרובעות. מכיוון שהחלקיקים צופו בתחמוצת ברזל, ניתן היה ליישר אותם בכיוון מסוים באמצעות שדה מגנטי. ברגע ששכבה אחת של תערובת הג'לטין נוצרה, הם מזגו שכבה נוספת מעליה. שכבה זו הייתה זהה לראשונה, למעט העובדה שכאן החלקיקים יושרו לכיוון אחר.
בהמשך נחתך חומר זה לרצועות, בהתאם לכיוון החתך ביחס לכיווניות של החלקיקים, הרצועות הגיבו באופן שונה לחשיפה ללחות. רצועות אחרות, העשויות מפולימר אחר, הגיבו גם ללחות וגם לטמפרטורה.
פרופ' סטודרט טוען, שכל חומר המגיב לגירוי חיצוני יכול לשמש כבסיס למבנים אלו, כאשר החלקיקים יכולים להיות עשויים מחומרים שונים, מכיוון שהם מצופים בתחמוצת ברזל בכל מקרה. בין האפליקציות האפשריות לחומרים אלה אפשר למנות חלקים קרמיים המעצבים עצמם לתוך צורה נדרשת, או שתלים מתכלים המתאימים עצמם לצורה הנדרשת, ואשר הופכים לפעילים רק כאשר הם ממוקמים בחלק הנכון בגוף.

למקור הידיעה