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 2013

קוראים יקרים שלום,

עם החזרה לשיגרה, ואחרי שלושה חודשים של ילדים, משפחה והרבה מאוד ארוחות, בחרנו להתרענן עם (עוד) קצת אלכוהול ולספר לכם על יכולתו המופלאה של החדף להתמודד עם כמויות אלכוהול משמעותיות.

לאלו שמאמינים שהגלגל הוא המצאתו הגדולה של האדם נספר שלא רק שהגלגל הופיע בטבע לפני מאות מליוני שנים, גם  גלגל השיניים הוא המצאה קדומה של הטבע.

בתחום הרפואה נספר על עדשה ביומימטית המחקה את המבנה הרב שיכבתי של העדשה האנושית ומעולם הרובוטיקה נתאר כיצד אינטראקציה עם כלבים יכולה לסייע בפיתוח רובוטים בעלי גישה אנושית.

באיחולי קריאה מהנה ומעשירה, וחזרה מהירה לשיגרה,

צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי

אורגניזם החודש - החדף הפיכח


מאת: מאיה גבעון

חושבים שאתם "יודעים לשתות"? יונק קטן מדרום מזרח אסיה יגרום לכם לחשוב שוב.

חדף העצים* (Ptilocercus lowii, Pen-Tailed Tree Shrew,( הוא יונק קטן, המצוי בדרום מזרח אסיה (אינדונזיה, תאילנד ומלזיה) – והיחיד ככל הידוע עד כה, הצורך אלכוהול באופן קבוע כחלק מתזונתו היומית.
החדף ניזון מפרחי דקלים, המהווים בית למושבות משגשגות של חיידקי שמרים שמתסיסים את נקטר הפרחים, והופכים אותו לאלכוהול משובח בריכוז של כ-4%. הפרחים נוצרים לאורך כל השנה, ומספקים אספקה יציבה של יין הדקלים לחדף, אשר נהנה ממנו ומאביק את העץ בתמורה, תוך כדי שתיית כמות השווה ללא פחות מ-12 כוסיות יין מידי לילה...

 הרגלי שתייה דומים בקרב בני אדם יובילו לנזקים מצטברים בכבד, בכליות, בלב ואף במוח – אם לא יגרמו קודם להרעלת אלכוהול חריפה. ואילו חדף העצים נראה חסין לכל אלה: הוא אינו מתנדנד, אינו נופל מהעץ, הוא לא מקיא על עצמו ולא מפסיד בהתערבויות מטופשות לאחר לילות השתייה. בקיצור: למרות ריכוז אלכוהול גבוה מאוד בדם – חדף העצים אינו משתכר!
כיצד זה יתכן?
העמידות הבלתי שגרתית הזו עוררה את סקרנותם של החוקרים. צוות מאוניברסיטת
Bayreuth  בגרמניה מעריך כי עמידותו של החדף להשפעות האלכוהול היא תוצאה של אבולוציה ארוכה – הסתגלות שנמשכה למעלה מ-55 מליון שנים, ונובעת מיכולת פירוק מטבולי שונה מזאת הקיימת בגוף האדם. מעניין לציין כי חדף העצים דומה מאוד גנטית לאחד האבות הקדמונים האחרונים המשותפים לכל קופי האדם. החוקרים סבורים כי קרבה גנטית זו היא המקנה לנו סיבולת חלקית לאלכוהול.
המסלול המטבולי המאפשר לחדף העצים לפרק את האלכוהול באופן שמנטרל אותו ומונע את השפעתו השלילית טרם זוהה, אך  גילוי כזה יוכל בודאי לתרום רבות לא רק להקטנת השפעות שליליות של תרופות, אלא גם ישנה בוודאי את תרבות הבילוי האנושית...

מי המציא את גלגל השיניים

מאת: זיו כהני

תשאלו כל מהנדס מכונות (למשל אותי) מהם גלגלי שיניים, והוא יענה שאלו רכיבי ההנעה הנפוצים ביותר בעולמנו, שהידע לתכנונם מבוסס על תיאוריות ונוסחאות, ושהיתכנות הייצור שלהם דורשת מערכות ומכונות משוכללות ומדוייקות. אז מסתבר שגם כאן הטבע כנראה הקדים אותנו....
בעזרת מערכות מיוחדות לאנליזה אנטומית ומצלמות בעלות רזולוציה ומהירות גבוהות במיוחד, הצליחו חוקרים מהמחלקה לזואולוגיה באוניברסיטת קיימברידג' לזהות מערכות גיר (גלגלי שיניים משולבים) בתוך מבנה של חרק הIssus  הנפוץ מאד בגינות באירופה. מערכת גלגלי השיניים מתאמת, למעשה, בין הרגליים שלו. הדבר מוכיח שמנגנון זה היה קיים בטבע עוד לפני שהאדם פיתח אותו.

התמונה באדיבות פרופ' Malcolm Burrows
ברמה המכנית הבסיסית, על מנת שמערכת גיר תעבוד בצורה יעילה ורציפה, חייב להתקיים שילוב מדויק במיוחד של השיניים בגלגלים, המשתלבים זה בזה. החוקרים גילו שכך קורה בגוף החרק, בדיוק כמו באופניים או ברכב. החוקרים מקיימברידג' גילו שאפילו פרטים קטנים, שמהנדסים פיתחו במהלך השנים כדי למנוע שחיקה בגלגלי השיניים, כבר קיימים בצמח.
לגלגלי השיניים של החרק יכולת סנכרון מדהימה של תנועת הרגליים שלו. התיזמון המדוייק של תנועתו משפיע מאוד על יכולתו להמשיך בתנועת הקפיצה הלאה, אל המקום הבא אליו הוא רוצה להגיע.
החוקר הראשי, פרופ' Burrows, טוען כי פקודה עצבית רגילה לא יכולה לקיים מנגנון מתוזמן ומהיר כל כך, אם היא לא מתקיימת בתוך מנגנון הנעה שכזה. למעשה, בעזרת מנגנון זה מעביר החרק פקודות להפעלת שרירים שמייצרים כוח לתנועה. פרופ' Burrows רואה בגלגלי השיניים של החרק הוכחה לטענה שהשלד במחלקת החרקים מהווה פיצוי ליכולות המוגבלות של המוח ושל המערכת העצבית שלהם.
הקבלה מכנית מעניינת נוספת היא שידוע כי מערכת גיר תקועה כאשר אחת משיני הגלגל נשברת, והתזמון נפגע. באותו אופן, תיזמון תנועת החרק נפגע כאשר אחת משיני המנגנון שלו נפגעת. בעניין זה נמצא כי חרק צעיר יכול לגדל בגלגל שן חדשה (לעומת חרק מבוגר יותר, שאינו יכול לעשות זאת).

עדשה ביומימטית

מאת: דפנה חיים לנגפורד

בחיפוש אחר פתרונות רפואיים  לבעיות ראיה שונות, פיתחו חוקרים ממכון Rose-Hulman שבארה"ב עדשה מלאכותית, המחקה את העין האנושית.

עדשה פולימרית זו, המורכבת מאלפי ננו שכבות, עשויה להוות בעתיד תחליף אצל אנשים בעלי פגיעות שונות בעדשה, אך גם כמקור לטכנולוגיות מעקב.
יישום ארכיטקטורת חומרים בהשראת הטבע, כמו ארכיטקטורת שכבות החומר בכנפי הפרפר, במבנה הגיד ואפילו בעין האנושית, מאפשר יצירת מוצרים בעלי חוזק מכני רב יותר, מאפיינים רפרקטיביים חדשניים, ויכולות אופטיות בעלות עוצמה רבה יותר.
הטכנולוגיה מאחורי העדשה שפותחה במכון Rose Hulman (בשיתוף עם חברת (PolymerPlus נקראת GRIN (Gradient Refractive Index Optics ). בטכנולוגיית GRIN, האור נשבר בזויות שונות בעוברו בעדשה, להבדיל מעדשות רגילות אשר בהן נשברות קרני האור תמיד באותו אופן, בתלות בצורת העדשה.
החוקרים עקבו אחרי מבנה העדשה האנושית ובנו עדשה פולימרית, המורכבת מאלפי ננו-שכבות. לכל ננו-שכבה מאפיינים אופטיים מעט שונים, ליצירת עדשה המשנה באופן הדרגתי את האינדקס הרפרקטיבי, ובכך משנה את המאפיינים הרפרקטיביים של העדשה כולה.
התמונה באדיבות D L
 עדשת ה GRIN  דומה לעין האנושית יותר מכל עדשה מלאכותית אחרת. קרני האור שעוברות מקדמת העדשה אל העין האנושית, נשברות בזויות שונות. זהו מנגנון מאוד יעיל, המאפשר בקרה על מסלול האור ללא מערכת אופטית מורכבת.
אופטיקה מבוססת טכנולוגית GRIN יכולה לשמש למזעור מערכות הדמיה רפואיות, או כעדשות מושתלות בעלות אינדקס רפרקטיבי גבוה יותר, למשל כתחליף לעדשות בהם משתמשים היום בניתוחי ירוד (קטרקט).
טכנולוגית GRIN  עברה מסחור על ידי מעבדות המחקר של Case Western Reserve  וכעת ממשיך תהליך הפיתוח בחברת PolymerPlus.

על כלבים, רובוטים והקשר ביניהם


מאת: אופיר מרום

כלבים עוזרים לבני האדם במשימות שונות ומגוונות, אך האם שמעתם על כלבים שעוזרים לתכנן רובוטים?
 
מעצבים רובוטים חברתיים? שימו לב - בפעם הבאה שאתם רוצים לבחון אב-טיפוס, כדאי לכם להביא גם את הכלב שלכם למעבדה ולצפות באינטראקציה שלו עם הרובוט. אולי תוכלו ללמוד דבר או שניים שישפרו עיצובים עתידיים. במחקר, שפרסמה גבריאלה לאקאטוס (Gabriella Lakatos)  מהאקדמיה ההונגרית למדעים, נמצא כי חברו הטוב ביותר של האדם מגיב בידידותיות לרובוטים המתנהגים באופן חברתי כלפיהם, גם אם הם לא נראים אנושיים. במחקר נבדקה תגובתם של 41  כלבים שחולקו לשתי קבוצות שונות, כאשר בשתי הקבוצות צפו הכלבים באינטראקציה: קבוצה אחת צפתה באינטראקציה בין בעליהם ונסיין אנושי, והשנייה באינטראקציה בין בעליהם ורובוט.
הרובוט שנבדק הוא רובוט מותאם אישית, בגודל אנושי, מסוג PeopleBot, עם שתי זרועות וארבע אצבעות בכל כף יד. אחת מהזרועות הרובוטיות יכולה לבצע מחוות פשוטות ולתפוס עצמים. רובוט ה- PeopleBot אינו דומה לאדם, אלא נראה יותר כמו מכשיר כושר, בעל יד עטוית כפפה לבנה הקשורה אליו. הרובוט תוכנת לבצע פעולות דמוית התנהגות חברתית אנושית (כגון לקרוא לכלב בשמו ), או להתנהג באופן "לא-חברתי" כמו מכונה. הנסיין האנושי, הוגבל לביצוע רק מהלכים הדומים ליכולותיו של הרובוט, ולכן היה יכול להשתמש רק ביד אחת ולעשות מחוות ספציפיות.
בקבוצה הראשונה, עם הנסיין האנושי, האינטראקציה הייתה "חברתית",  בעוד שבקבוצה השנייה האינטראקציה הייתה "לא-חברתית". מיד לאחר האינטראקציה, ללא קשר לאופייה, הצביע הרובוט או בעליו של הכלב, לכיוון אוכל שהוחבא במקום.
היכולות ה"חברתיות" שהפגין הרובוט, לא הצליחו לעורר  את הכלבים מבחינה חברתית,  כפי שניתן לעוררם ביחסים הקרובים עם בני אדם. עם זאת, החוקרים כן צפו במספר אינטראקציות חברתיות חיוביות מובהקות בין הכלבים לבין הרובוט. לדוגמה, הכלבים בילו זמן רב יותר בסמוך לרובוט, או התבוננו בראשו כאשר זה התנהג באופן "חברתי". הכלבים היו הרבה יותר טובים במציאת המזון המוחבא,  כאשר רובוט "חברתי" הצביע עליו, מאשר כשרובוט "לא-חברתי" עשה זאת. החוקרים מאמינים כי הניסיון הקודם של הכלבים עם הרובוט, בעת צפייה בבעלים שלהם באינטראקציה עם ה-PeopleBot  השפיע על היחס שלהם כלפיו כאשר הם התעמתו אתו בשלב ההצבעה.
לאקאטוס ועמיתיה טוענים כי סוג זה של מחקר, מספק לא רק תובנות חשובות על התהליכים הנפשיים של יצורי חיים , אלא גם על האופן בו צריכים להיות מתוכננים רובוטים חברתיים.