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 אוקטובר 2013


קוראים יקרים שלום,

החודש התקיימה ועידת התקינה הביומימטית במכון התקנים UNMZ בפראג. בעבר דיווחנו לכם על התהליך ועל מטרתו לגבש גוף ידע מוצק וקוהרנטי, שיגדיר מושגי יסוד, גבולות, ותהליכים נדרשים לגיבוש תחום הביומימיקרי כדיסציפלינה מדעית. יו"ר ומנכ"ל ארגון הביומימיקרי הישראלי ייצגו את ישראל והשתתפו בוועדת הטרמינולוגיה ובוועדת בניית מילון מונחים (Thesaurus) שיאפשר חיבור של ידע ביולוגי וטכנולוגי. פעילות הוועדה הביומימטית זכתה לסיקור גם במגזין  של מכון התקנים העולמי. (ע"מ 25).

החודש פתחנו חלון לתעשייה באמצעות ראיון שערכנו עם חברת צוות בקבוצה הביונית של  Festo. כמו כן בחרנו להרחיב על רגלי הצפרדעים, תעופת האלבטרוסים והעין האנושית כמקור לחדשנות ביומימטית.  

חברות וארגונים המעוניינים להזמין הרצאה או סדנא מוזמנים לפנות אלינו במייל. info@biomimicry.org.il
ההרצאות חושפות את הקהל לתחום הביומימיקרי כמקור לחדשנות סביבתית ומעוררות סקרנות ועניין רב.


בברכת קריאה מהנה,

צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי

מבט לתעשייה- חדשנות ביומימטית בחברת Festo

מאת: יעל הלפמן כהן

חברתFesto   ידועה במספר פיתוחים ביומימטיים,  ביניהם זרוע ביונית בהשראת החדק של הפיל וציפור ביונית המחקה את תנועת השחף. על פיתוחים אלה כתבנו בעבר. החודש בחרנו לראיין את ד"ר נינה גייסרט, שהיא ביולוגית החברה בקבוצת הפיתוח הביונית של חברת פסטו (Bionic leaning (network, במטרה להבין מהו מודל העבודה המנחה את הקבוצה.

-          מהו הרכב הקבוצה וכמה חברים היא מונה?

         בקבוצה חברים חמישה אנשי צוות ושלושה סטודנטים. הרכב הקבוצה מבטא את אופיו המולטי-דיסציפלינרי של תחום הביומימיקרי. הקבוצה כוללת מעצב, מהנדס, איש IT, ביולוגית ואיש אדמינסטרציה. הקבוצה מחפשת תמיד שותפים נוספים מן האקדמיה, ממרכזי מחקר או מחברות חדשניות לקידום הפרויקטים שלה.

-          מהן מטרות הקבוצה?

         הקבוצה עובדת על חמישה פרויקטים בו-זמנית. הפרויקטים אינם מיועדים למכירה, ולהם שלוש מטרות עיקריות:

1.      בחינת היתכנות של טכנולוגיות חדשות - הפרויקטים מאפשרים בדיקה של טכנולוגיות חדשות המעניינות את החברה. כך, למשל, בפרויקט ה-  bionicOpter, בניית הליקופטר ביוני המחקה את מבנה השפירית, נבחנה טכנולוגיה של electrical mussels. הידע הנצבר בפרוייקטים מועבר בהמשך למחלקת R&D   של החברה.

2.      בניית תדמית חדשנית - הפרויקטים מוצגים אחת לשנה ביריד האנובר לחדשנות טכנולוגית, ונסקרים במגזינים שונים. הפרויקטים יוצרים עניין בקרב לקוחות ועובדים פוטנציאליים. הפרויקטים ממצבים את החברה כחברה חדשנית, המסוגלת לספק פתרונות חדשניים ללקוחותיה.

3.      אחריות חברתית - הפרויקטים נועדו להלהיב צעירים ולמשוך אותם ללמוד טכנולוגיה ומדעים.



                       BionicOpter -   באדיבות חברת Festo בעלת זכויות היוצרים

-          כיצד מתקבלת הקבוצה בתוך החברה?

         הקבוצה הייתה מבודדת בתחילה, ופחות הוערכה בחברה. עם הזמן למדה הקבוצה לעבוד בשיתוף פעולה עם מחלקות שונות בחברה. כך למשל עובדת החברה עם מחלקת הפיתוח (מעבירה לה ידע ונעזרת בה), עם מחלקת IT לביצוע סימולציות ועם מחלקת 3D להדפסת אבי-טיפוס של הפרויקטים הנמצאים בשלבי הפיתוח.

-          מהן התגובות שאתם מקבלים מהתעשיה?

         תגובות נלהבות. החברה אכן נתפסת כחדשנית. גם העובדים גאים לעבוד בחברה כזו.

-          איך נבחרים הפרויקטים?

          הצעות לפרויקטים מגיעות מכמה מקורות. ממנהלים בחברה, מעמיתים, מחברי הצוות עצמם, מהסטודנטים, ומאנשי אקדמיה. במקביל נבדקת ההתאמה של הפרויקט המוצע לטכנולוגיות שרוצים לבדוק, למסרים שרוצים להעביר, לעיתוי הכללי ולתמהיל המוצרים הקיים.

-          כמה זמן עובדים על כל פרויקט?

           על כל פרויקט עובדים כשנתיים. בסיומן מועבר הידע הטכנולוגי שנצבר למחלקת הפיתוח.

-          כיצד מתנהלת העבודה בצוות רב תחומי?

        אנחנו חולקים משרד אחד ויש ביננו תקשורת רציפה. בכל התהליך כל גורם מזין ומגיב לאחרים. כך למשל בפרויקט ה bionicopter התחלתי במחקר ביולוגי על תנועת השפירית. במקביל עשה המהנדס מחקר קינטי, ואשת ה- IT ערכה סימולציות. העיצוב הראשוני של הכנפיים כלל כנפיים הנמצאות זו מעל זו. בהמשך תוקן העיצוב וחיקה את מבנה הכנפיים הרוחבי של השפירית. בשלב זה נתקלנו בבעיה של ויברציות וחזרנו לבצע מחקר על התנועה כדי להבין כיצד נמנעות ויברציות בתנועת השפירית, וגילינו שהשפירית מניעה את כנפיה בתנועה גלית. כך, תוך שיתוף פעולה בין חברי הצוות, הגענו לתכנון הסופי של הפרויקט.
אנו מאחלים לחברת Festo  הצלחה ומקווים שמודל הצוות הביוני הייחודי, המשלב אנשים מדיסציפלינות שונות, יהווה מקור השראה לקבוצות עבודה נוספות בעולם.

מנפלאות הצפרדע - הצמדה בסביבה רטובה

מאת: אופיר מרום

מה אפשר ללמוד מצפרדעים המסוגלות להישאר צמודות למשטחים חלקים ורטובים?

מינים רבים של צפרדעים התפתחו, במקומות שונים בעולם, כך שיתאימו לחיים בסביבה של מים זורמים. צפרדעים השייכות לקבוצה זו נקראות Torrent frogs. למרות שאין קשר ישיר בין מינים אלה אפשר למצוא סממנים אופייניים שפיתחו הצפרדעים כדי להתמודד בסביבה שוצפת מים. אחד המאפיינים עניין במיוחד את ד"ר תומס אנדליין (Thomas Endlein) ואת צוות החוקרים מאוניברסיטת גלאזגו שבסקוטלנד. מסתבר שצפרדעים אלה מציגות יכולת מדהימה לטיפוס בסביבות רטובות ליד מפלי מים, במקומות שבהם צפרדעים רגילות היו נסחפות בזרם. כדי להבין כיצד הן עושות זאת השוו החוקרים בין צפרדעים אלה לבין צפרדעים החיות בעיקר על עצים.

צפרדעים שחיות על עצים מסוגלות לטפס על משטחים חלקים בזכות הכוחות הקפילאריים, הנובעים מממשק אוויר-נוזל סביב כריות האצבע שלהם. לעומתן, הצפרדעים שחקר ד"ר אנדליין מסוגלות לטפס על משטחים גם בסביבה רטובה, שם הכוחות הקפילריים אינם אפקטיביים. לצורך מחקר זה נבחר מין מסוים של צפרדע מכל סוג, Harlequin Tree frog , החיה על עצים ו- Black-spotted Rock frog אותה אפשר למצוא יושבת על סלעים בסביבת נחלים ומפלים.


                                    תמונה מאת   Endlein et al.תחת CC 2.5

בניסוי נבדקה יכולת שני המינים להיצמד למשטח בשיפועים שונים וברמות חספוס וזרימת מים משתנות. על גבי משטחים יבשים וחלקים, הציגו שני מיני צפרדעים יכולת היצמדות דומה. לעומת זאת, כאשר הוזרמו מים על פני המשטח הייתה ל- Black-spotted Rock frog יכולת הצמדות טובה יותר באופן משמעותי, גם כאשר הזרימה הייתה איטית וגם כשהייתה מהירה. צפרדע זו אף נשארה צמודה למשטח בתנאים בהן כריות האצבע שלה היו שקועות במים, כך שלכאורה מתבטל המניסקוס הגורם לכוחות המשיכה הקפילריים. בהמשך הניסוי נמצא ששני מיני הצפרדעים נצמדים למשטח לא רק באמצעות כריות האצבעות אלא גם בעזרת חלקים גדולים של הבטן והירך הפנימית. עם עליית שיפוע המשטח, נמצא שה- Black-spotted Rock frog מגדילה את אזורי המגע שלה עם המשטח ואילו אצל הצפרדע השנייה מתרחש תהליך הפוך, בו הבטן והירכיים מתנתקות ככל שהשיפוע גדל. בבחינת הכוחות הפועלים על פני העור של הצפרדעים לא נמצא הבדל משמעותי בין שני המינים, ועובדה זאת הביאה את החוקרים למסקנה שההבדל ביכולת ההצמדות נובע בעיקר מהגדלת שטח הגוף שבא במגע עם המשטח. בנוסף, תמונות SEM  של מבנה העור בצפרדעי ה- Black-spotted Rock frog חשפו תאים מוארכים מעט בפריפריה של רפידות הבוהן, עם תעלות ישרות ביניהם, שיכולות להקל על ניקוז של נוזלים עודפים מתחת לכריות.

החוקרים מקווים שהמסקנות ממחקר זה יהוו השראה לפיתוח התקנים שיעזרו לבני אדם שעובדים בסביבת עבודה רטובה, הדומה לסביבת החיים של הצפרדעים.
 

שיעור מאלבטרוס בכלכלת תעופה

מאת: יעל הלפמן כהן

מהנדסי אווירונאוטיקה וביולוגים עקבו אחר נתיב התנועה של אלבטרוסים מעל האוקיאנוס, וחשפו את דפוסי היעילות האנרגטית של תנועתם.

אלבטרוסים גומאים מרחקים ארוכים. הם יכולים לשהות ארבעה שבועות תמימים מעל האוקיאנוסים במסלול מעופם. לאלבטרוס מוטת כנפיים מרשימה (3.7 מטר), המאפשרת לציפור לדאות אלפי מיילים ללא נפנוף. ברור כי מסע ארוך כזה דורש יעילות אנרגטית.

צוות של מהנדסי אווירונאוטיקה וחוקרים מגרמניה וצרפת צוברים הבנה לגבי האופן בו האלבטרוסים ממריאים במאמץ קטן בלבד. המחקר מבוסס על עבודת שדה שנערכה לפני מספר שנים באי קרגולן הידוע גם כ- desolation island הממוקם באמצע המשולש אוסטרליה- אפריקה-  אנטרקטיקה. משדרים קלים חוברו לציפורים, ואפשרו לחוקרים להתחקות בדיוק רב אחר מסלול מעופם.  החוקרים התמקמו באי ועסקו באופטימיזציה של הסנסורים ובעיבוד הנתונים. המחקר פורסם בעיתון  PLOS Oneוזכה לאחרונה לסיקור בעיתון Aviation Week.
 
                                 תמונה מאת J Harisson תחת CC 3.0

החוקרים מצאו שנתיב המעוף של האלבטרוסים אינו ישר אלא עקום חוזר, המתחיל בתנועה קרוב לפני שטח הים, ממשיך בפניה חדה לכיוון הרוח לצבירת גובה. הגעה לגובה של כ- 15 מטר ופניה חזרה מטה תוך גלישה וללא מאמץ. מחזור תנועה זה אורך כ- 15 שניות. 

ממצאי המחקר מראים שהאלבטרוס נע בשיטה הנקראת דאייה דינאמית (Dynamic Soaring). טכניקת תעופה זו מאפשרת קצירת אנרגיה על ידי ניצול גרדיאנט הרוח, באמצעות חציה חוזרת של הגבול בין מסות אוויר בעלות מהירות שונה בצורה משמעותית. החוקרים הסיקו  שהאלבטרוס מרוויח את האנרגיה בחלק העקום העליון של ההתרוממות הדינאמית. ההבדל בין מהירות הרוח בגובה הנמוך והגבוה היא המפתח להתרוממות הדינאמית.

האלבטרוסים המשיכו להרשים גם בחוף, כאשר הדגימו מיומנות ניווט למציאת קיניהם לאחר ארבעה שבועות של ניווט מעל הים. 

קשה לדמיין מטוס מסחרי הנע קרוב לפני הים, חותך מהר למעלה ויורד חזרה. האפליקציה הטבעית היא דווקא למטוסים לא מאוישים, הצריכים להישאר באוויר זמן רב לצורך קבלת סיגנלים, למשל. יישום נוסף של ממצאי המחקר יכול להיות  אופטימיזציה של נתיבי תעופה. שנים רבות עברו מאז טס המטוס הראשון, אך ציפורים עדיין מהוות מקור ידע וחדשנות בעולם התעופה. 

הדמיה בהשראת העין האנושית

מאת: דפנה חיים לנגפורד

במשך מאות שנים התבססו מערכות אופטיות, כמו טלסקופים ומיקרוסקופים, על עדשות קשיחות בעלות מנגנוני הנעה לצורך מיקוד, ועל צמצמים מכאניים לצורך ויסות כמות האור. חוקרים רבים מחפשים דרכים חדשות ליצור מערכות הדמיה ממוזערות, בעלות יכולת מיקוד וויסות אור.

באוניברסיטת Freiburg  שבגרמניה פיתחו החוקרים מערכת הדמייה ממוזערת בהשראת המערכת המכנית הפשוטה של העין האנושית.
במוח ובעין האנושית עיבוד התמונה מורכב, ואילו הרכיב המכאני לקליטת התמונה פשוט באופן יחסי. קליטת התמונה בעין האנושית מתרחשת בזכות שריר, המשנה את מבנה העדשה לצורך שינוי המיקוד (המרחק בין העדשה לבין הנקודה בה נפגשות קרני האור) ובזכות קשתית, הנפתחת ונסגרת לבקרת כמות האות העוברת בעדשה.
מהנדסים מנסים להקטין את מערכות ההדמיה ולשפרן, אבל מערכות הדמיה ממוזערות מורכבות ויקרות. במקרה זה החוקרים, במקום להשתמש במנגנונים מורכבים הדורשים חלקים נעים לצרכי מיקוד וויסות אור, חיקו את העין האנושית.
החוקרים פיתחו מערכת הדמיה חדשנית המאפשרת את מיקוד וויסות אור. המערכת מבוססת על שימוש בעדשה מחושלת בעלת יכולת שינוי מיקוד, בשילוב עם רכיב נוזלי המאפשר את ויסות כמות האור הנקלט, בדומה לתפקיד הקשתית בעין.
 
 
                           תמונה מאת nonStudio תחת GNU Version 1.2
במכשיר החדש השתמשו החוקרים בשתי מערכות הדמיה. הם יצרו עדשה מסיליקון, המוקפת במספר מנועים ממוזערים, שמשנים את המיקוד באמצעות שינוי של מבנה העדשה ושל זווית העדשה. באופן זה, ניתן למתוח ולכווץ את העדשה כמו בעין. בקדמת העין הם הוסיפו מערכת דמויית קשתית, אשר מכילה שני נוזלים בסמוך למיכל שטוח. נוזל אחד אטום והוא על בסיס שמן, ובמרכזו נוזל שקוף שהוא על בסיס מים - וכך שני הנוזלים נשארים מופרדים. לשני הנוזלים אותה צפיפות בדיוק, למניעת תזוזות בטלטלה.
כאשר מעבירים מתח חשמלי במערכת, משנים הנוזלים חלק מהתכונות שלכם. הם מתפשטים או מתכווצים במרחב, ובכך הם מחקים את פעולת הצמצם של קשתית העין.
בשלב זה של המחקר, גודלו של המכשיר נמדד בסנטימטרים ספורים. מטרת החוקרים להוסיף פונקציות נוספות לפני שיפנו להמשך המזעור.
הטכנולוגיה עשויה לשמש למערכות מיקרוסקופיות ברפואה ובמחקר, כמו אבחון מוקדם של סרטן העור או תהליכים זיהומיים במזון.