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 יוני 2013


קוראים יקרים שלום,
החודש עמד בסימן פעילות ענפה במערכת החינוך. תחום הביומימיקרי הוצג בכנס השנתי של המורים לביולוגיה ובהשתלמות של מנהלי אשכולות הפיס. בבית חינוך גליל מערבי בצפון הארץ נערך יום שיא בנושא הביומימיקרי לכל תלמידי שכבה ז. במסגרת יום זה טעמו התלמידים את חווית ההמצאה מן הטבע באמצעות הרצאה, פעילות חוויתית והתנסות אישית. הטבע הוא מעבדת מחקר חוויתית. למידה מהטבע מקדמת חשיבה חדשנית, יזמית וסביבתית פורצת דרך בקרב תלמידים ומהווה כר פורה לפרוייקטי חקר. למידע נוסף אודות אפשרויות שילוב תחום הביומימיקרי במערכת החינוך אנא פנו למייל.

החודש בחרנו להרחיב על פיתוח מכשיר שמיעה חדשני המבוסס על אוזן נקבת הזבוב, על אסטרטגיות ביומימטיות למלחמה בהאקרים, על מנגנון איסוף נקטר מהיר בלשון העטלף ועל מניעת תאונות בהשראת תעופת הדבורה.

בברכת קריאה מהנה וחופש בטוח ונעים לעובדי מערכת החינוך,

צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי

 

 

לשמוע כמו זבוב

מאת: אופיר מרום

יכולת השמיעה המדהימה של נקבת זבוב ה-Ormia   משמשת השראה לייצור מכשירי שמיעה משופרים.
הנקבה של זבובOrmia ochracea  חייבת למצוא צרצרים כדי להתרבות. כדי לעשות זאת היא מתחקה אחרי קריאות החיזור של הצרצר הזכר. כשהיא מוצאת מועמד מתאים היא מטילה עליו ביצים, והרימות שבוקעות מהן מתחפרות במהירות בגופו, למשך כשבעה עד עשרה ימים, עד שהן בוקעות, אך המארח אינו שורד את האירוח הכפוי הזה.... כידוע לכל מי שלא הצליח להירדם בלילה בגלל צרצור של צרצרים, מציאת צרצר בבית היא לא משימה פשוטה, על אחת כמה וכמה קשה משימת איתור צרצר בודד בשדה פתוח. יכולת השמיעה המדהימה שפיתחה נקבת זבוב ה-Ormia   מאפשרת לה למצוא צרצרים בהצלחה, וכיום הבנתה גם מסייעת לתכנן מכשירי שמיעה משופרים לבני אדם.
כדי למצוא את הכיוון ממנו מגיע קול כלשהו, המוח שלנו משתמש במדידת ההבדל בין הזמנים שלוקח לקול להגיע לשתי האוזניים ומדידת ההבדל בעוצמה של אותו קול, כפי שהיא נקלטת בכל אוזן. האתגר הגדול של נקבת זבוב ה-Ormia   הוא שהאוזניים שלה קרובות מאוד זו לזו, ולכן ההבדלים בעוצמת הקול ובזמן שהוא מגיע לכל אוזן קטנים וקשים להבחנה. כדי להתגבר על בעיה זו מממשת הזבובה טכניקה של הגברה מכאנית ונוירולוגית,  באמצעותם היא מזהה הבדלי זמן פי אלף (!!!) טוב יותר מהאוזן האנושית.


מאת Jpaur בהתאם לרישיון CC 3.0

לאחרונה פיתחו חוקרים מיקרופונים מיניאטוריים המחקים בדיוק את המנגנון הזה. המיקרופונים בנויים משתי דיאפרגמות, שקולטות ויברציות קוליות. הדיאפרגמות מחוברות בגשר גמיש, היכול להתקפל, ממש כמו הגשר המחבר בין שני עורות התוף באוזניי הזבובה. כתוצאה ממבנה ייחודי זה, שתי האוזניים נעות בכיוונים מנוגדים בתגובה להבדלים בלחץ על המשטחים החיצוניים שלהם. כמו אצל הזבובה, גם במכשיר השמיעה נמדדים ההבדלים בעוצמה ובתדירות של הויברציות בין שתי הדיאפרגמות על ידי חיישן, ובכך מצליח המכשיר לזהות את השתנות הקול במרחב, דבר שלמעשה יוצר מיקרופון כיווני. אחד היישומים החשובים למיקרופונים כיווניים הוא במכשירי שמיעה, מאחר שסוג זה של מיקרופונים יעיל מאוד לצמצום השפעתם של רעשי רקע ולשיפור יכולת ההבנה של דיבור בסביבה רועשת. מגבלת הגודל של המכשירים מחייבת, מטעמים קוסמטיים, שהמרחק בין שני המיקרופונים בתוך מכשיר השמיעה, הדרושים לחישוב כיוון הקול, יהיה בסדר גודל של מילימטרים בודדים. על פי החוקרים, יישום העיקרון בו משתמשת זבובת ה-Ormia   מאפשר לייצר מכשיר בעל רעש פנימי (רצפת רעש) נמוך בכ- 17 דציבלים ממה שניתן לייצר כיום, ובכך לתת אפשרות למשתמשים לשמוע קצת יותר טוב... את הזבובה, בפעם הבאה שהיא תעופף ליד האוזן שלהם.
למקור הידיעה

אסטרטגיות ביומימטיות למלחמה בהאקרים

מאת: דפנה חיים לנגפורד

ארגונים השואפים להיות עמידים בפני התקפות ואיומים על מערכות המידע שלהם, ראוי שיבחנו אסטרטגיות הגנה על מידע בטבע, אסטרטגיות שהתפתחו במהלך מליארדי שנות אבולוציה בתנאי אבטחה מאתגרים ומורכבים.

אבטחת מידע בארגונים הוא נושא מרכזי בכל מערכת מבוססת מידע. ההיסטוריה של הגנה על מידע בארגונים מלאה בכישלונות. בבלוג שפורסם לאחרונה ב Harvard Business Review סוקר Rafe Sagarin מספר אסטרטגיות לאבטחת מידע בטבע:

גבולות גמישים: ההנחה הרווחת היא כי יש להגן בכל מחיר על מידע ולכן אנחנו מקימים גבולות, מחסומים ו-Firewalls ("חומת אש" – תוכנה מסחרית להגנה על רשת פנים ארגונית) למיניהן ואילו בטבע, גבולות בין חומרים אורגנים לאנאורגאניים, בין אקוסיסטמות שונות ובין מינים, נוצרות, מאותגרות, נהרסות ונבנות מחדש במעגל קסמים אינסופי, כשהמחסום מהווה רק מכשול זמני בפני הפולש.
באותו אופן, האבולוציה המהירה של מתקפות הסייבר הובילה לאבולוציה מהירה של מנגנוני האבטחה השונים.
המסקנה פשוטה - ארגונים מודרניים צריכים לאמץ את ההנחה הבסיסית שכמעט כל המידע האלקטרוני יכול לשמש כ"קוד פתוח", ולעבוד באופן יעיל במצב זה.

ספקטרום רחב: העולם הביולוגי גם הוא סוג של "קוד פתוח" במובן שאיומים תמיד קיימים, הם לרוב לא צפויים ומשתנים תדיר. כתוצאה מכך, השקעה באמצעי הגנה המתאים לאיום מסוים משאירים את המערכת חשופה לאיומים אחרים, ויש צורך לבנות מערכות הגנה כנגד ספקטרום רחב של איומים. מערכת החיסון שלנו, למשל, ערוכה להתמודד עם סוגים שונים של וירוסים, חידקים, פרזיטים, פיטריות וכן הלאה.
המצדדים בגישת "הספקטרום הרחב" כנגד לוחמה ביולוגית או כימית, טוענים שארועי טירור/מלחמה הם חלק קטן מאוד מהסיכון, וכי עדיף לפתח אסטרטגיית הגנה רחבה, שתקיף גם את תגובת מערכות הבריאות. אסטרטגיה שכזו תאפשר הגנה מפני תאונות מעבדה ומוטציות טיבעיות שלהן אותו אפקט, ולא רק מפני פעולות טרור.
באותו אופן, פשעי סייבר הם חלק קטן מספקטרום הסיכון הדיגיטלי לארגון. גישת הספקטרום הרחב מעדיפה ראייה כללית על פני הגנה ממוקדת, ויתירות על פני יעילות.

יתירות: אורגניזמים בטבע, על אף היותם מוגבלים במשאבים, פיתחו מספר שכבות של אבטחה. ב-DNA  למשל, יש מספר קידודים לאותו חלבון, כך שלווירוס קשה לפרוץ את הקוד ולשנותו. יתירות בטבע כאסטרטגיית אבטחה באה לידי ביטוי גם באמצעות ויתור על חלקים מסוימים לטובת אבטחת חלקי מערכת נחוצים יותר, כפי שניתן לראות בהקרבת  זנב הלטאה לטובת הגנה על המערכות החיוניות שלה. שימוש באסטרטגיה זו בארגון יכול להפוך ליתרון, על ידי הקרבת מידע מסוים על מנת ללמוד על דרכי הפעולה של האקרים, כדי להכין את המערכת להתקפה הבאה.

לצאת מהמסלול: כמובן שבעיית אבטחת המידע הפכה למהותית מאוד כתוצאה מהתלות שלנו במידע, ההולכת וגוברת. בטבע, אחת האסטרטגיות היא פשוט לצאת ממעגל התלות במידע. זנים שונים בטבע סטו מהזנים שלהם, כדוגמת ציפורים חסרות יכולת תעופה, דבורים נטולות עוקץ ונחשים נטולי קשקשים. בעבר הסתדרנו ללא טכנולוגיות המידע, וגם היום ארגונים שונים אינם מאפשרים שימוש בטלפונים חכמים, תיעוד טקסטואלי של פגישות והעברת מידע באימייל. אסטרטגיה שהולכת ומתעצמת בחברות רבות.

המנעות מתחרות: במעמקי הים קיימים מינים שונים, שחיים בסביבה נטולת תחרות לחלוטין. במקרה זה, אומנם יש חיסכון בבניית מערכות אבטחה והגנה, אך יצורים אלה לא מתפתחים ולא משתנים. גישה זו, יכולה להתאים במקומות מסוימים, אך חשוב לזכור שללא איומים, אילוצים ותחרות, לא יתקיימו התפתחות, המצאה והתקדמות -  לא בטבע ולא בארגון.


 

 

איסוף נקטר מהיר במיוחד

מאת: יעל הלפמן כהן

מנגנון יעיל לאיסוף נקטר, המבוסס על ניצול זרימת הדם בלשונם של עטלפים, מדווח לראשונה.
מה המשותף לעטלפים אוכלי נקטר ולאנשי ניקיון חרוצים? שניהם רוצים לאסוף נוזלים במהירות וביעילות ויש גם לזה וגם לאלה ציוד ספציפי למשימה.
מחקר שהובל על ידי הדוקטורנטית קלי הרפר, מהמחלקה לאקולוגיה ולביולוגיה אבולוציונית באוניברסיטת בראון שבארה"ב, ואשר פורסם לאחרונה ב- Proceedings of the National Academy of Sciences,  מתאר לראשונה מנגנון שלא תואר קודם, הנמצא בלשון של עטלף מסוג   Glossophaga soricina ומשמש לאיסוף מהיר במיוחד של נוזלים.

מעוף העטלפים גוזל אנרגיה רבה ולכן לאיסוף מהיר של נקטר יש יתרון המקצר את זמן המעוף וחוסך אנרגיה.

תמונה מאת  Ryan Somma  תחת רישיון CC 2.0  
 
מנגנון איסוף הנקטר מבוסס על ניצול זרם הדם להזדקרות של גבשושיות קטנות דמויות שערות בלשון של העטלף. הלשון של העטלף היא שריר הידרוסטאטי בעל נפח קבוע, בדומה לחדק של הפיל ולזרועות התמנון. במתיחה הלשון נהיית דקה יותר אך גם ארוכה יותר, וכך היא נמתחת רחוק יותר לכוון הנקטר. אותה התכווצות של השריר סוחטת דם, באופן זמני, לעבר הגבשושיות דמויות השיער. כאשר הדם מועבר לקצה הלשון, הגבשושיות נעות קדימה בציר האנכי של הלשון. במצבן  הזקור, הן מוסיפות לא רק שטח פנים אלא גם רוחב, ומאפשרות ללשון לתפקד ככלי אפקטיבי לאיסוף נקטר. המדענים אמנם ידעו על קיומן של הגבשושיות בלשון אך תמיד חשבו שהן פאסיביות ואינן משתנות עם הזמן.
ל"מגב" ההידרו-דינאמי של העטלף תכונות של מהירות ואמינות, שמהנדסים יכולים רק להתקנא בהן. המתיחה הכללית וההזדקרות של קצה הלשון מתרחשת תוך שמינית השנייה!
במחקרים אנטומיים נצפו הקשרים ביו עורקי הדם והגבשושיות. בניסוי הצליחה הרפר לגרום לגבשושיות להזדקר. בצילומי וידאו היא הבחינה  שכאשר הגבשושיות התמלאו בדם הן נמתחו והזדקרו, וצבען השתנה מוורוד בהיר לאדום בהיר, עדות נוספת לתפקיד הדם בתהליך ההזדקרות.
משערים שיש גם לעטלפים אוכלי נקטר אחרים וגם לבעלי חיים אחרים מנגנון דומה. למינים אחרים, כמו יונק הדבש ודבורים יש מנגנון יניקה שונה. כל אחד ממנגנונים אלה יכול להוות כר פורה לרעיונות ליישומים טכנולוגיים. כמו, למשל, רובוט מיניאטורי לניתוחים, המצטיין בגמישות, יכולת לשנות אורך ופני שטח דינאמיים, או סתם מגב חדשני בעל יכולת מהירה יותר של איסוף נוזלים...
בסרטון המצורף בקישור ניתן לראות צילום של תהליך איסוף הנקטר והסבר על המנגנון מאת החוקרת.

מניעת תאונות בהשראת תעופת הדבורה

מאת: דפנה חיים לנגפורד

מחקר משותף לחברת ניסן ולאוניברסיטת טוקיו הוביל לפיתוח מערכת חדשנית למניעת תאונות דרכים, בהשראת מעוף הדבורה. הפרויקט המשותף הוביל לפיתוח מיקרו-מכונית רובוטית, המחקה את מאפייני מעוף הדבורה, במטרה ליצר מערכת המונעת התנגשויות – רובוט מכונית  RB23C.
רובוט המכונית הוא חלק ממערכת כוללת של קונספט מגן הבטיחות, גישה פרואקטיבית, המבוססת על ההבנה שעל המכונית להגן על האנשים מבפנים ומבחוץ.  ה- BR23C מהווה את החלק הפנימי ביותר של המגן.
במעופה, יוצרת כל דבורה חלל אישי אובלי בצורתו, ובעזרת מבנה העין המורכבת שלה, שהיא בעלת טווח ראייה של עד 300 מעלות, יכולה הדבורה לנוע ללא הפרעה בתחום אותו מרחב אישי אובלי. במטרה לחקות את הפונקציונליות של עין הדבורה, פיתחו מהנדסים את Laser Range Finder (LRF).


ה LRF מזהה עצמים במרחק של עד שני מטרים, ברדיוס של 180 מעלות מחזית הרובוט, מחשב את המרחק מהם ושולח אות למיקרופרוססור. זה מתרגם באופן מיידי את האות לשינוי כיוון הנסיעה, על מנת למנוע התנגשות. ההבדל המשמעותי ממערכות מניעה אחרות הוא השינוי הכמעט אינסטנקטיבי. התהליך כולו מדמה את פעילות הדבורה למניעת התנגשות בדבורה אחרת. להבדיל ממעוף הדבורה, שינוי הנסיעה מוגבל למישור מצד אחד ולזווית הפנייה המקסימאלית של הגלגל מצד שני.
על המערכת לעבד נתונים כל מספר שניות, ולפעול בהתאם לנתונים המתקבלים. אין צורך במערכת עיבוד נתונים מרכזית מגושמת, בהרצת אלגוריתמיקה מורכבת, או באחסון כמות גדולה של נתונים מפעולות עבר. המערכת יכולה לעבוד באופן רצוף באמצעות מיקרופרוססור פשוט מאוד.
המחקר אמנם רק בחיתוליו, אך הטכנולוגיה בהשראת מעוף הדבורה מוסיפה נדבך נוסף חשוב, במאמץ לפתח מערכת תנועה חפשית מהתנגשויות.

למקור הידיעה