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 פברואר 2014


קוראים יקרים שלום,

ההרשמה למחזור השני של הקורס "מבוא לביומימיקרי- חדשנות סביבתית בהשראת הטבע" בעיצומה. הקורס יפתח ב- 27.03 באזור המרכז.

לקבלת הסילבוס אנא פנו ל: info@biomimicry.org.il


 
ב- 01.04 יערך כנס ביומימיקרי השלישי לילדים ברמת הנדיב. בתי ספר יסודיים המעוניינים להצטרף לתוכנית הלימודים בביומימיקרי בשנה הבאה מוזמנים לפנות למייל:info@biomimicry.org.il   לקבלת הזמנה לכנס.
 
החודש נדווח על רובוטים המחקים את יכולות הרמת המשקל המרשימות של הנמלים, על חיישנים ביולוגיים חדשניים המבוססים על מנגנון שינוי צבע בתרנגולי הודו, על בנייה ללא הנהלה בהשראת הטרמיטים ונסיים בדיון בקשר בין ביומימיקרי לקיימות בעקבות מחקר שעסק בסוגיה זו.
 
בברכת קריאה מהנה,
 
צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי.
 

 

מתרנגולי הודו לחיישנים ביולוגים חדשניים

מאת: אופיר מרום

כשתרנגול הודו כועס או מתרגש, צבע ראשו משתנה מאדום ללבן וכחול. מהנדסים מאוניברסיטת ברקלי חושבים שאפשר להשתמש במנגנון הזה לייצור חיישנים חדשניים לזיהוי חומרים נדיפים. איך הם עושים זאת?
תרנגולי הודו הן ציפורים בעלות גוף גדול וראש קטן. ראשו וצווארו של התרנגול קרחים. אזור זה מכוסה בעור רפוי ומקומט, ומבעד למקורו ולאורך צווארו של התרנגול משתפלת שקית עור, שצבעה בדרך כלל אדום. לעיתים מנופף תרנגול ההודו בכנפיו בחוזקה, וקפלי העור הופכים מאדומים לכחולים ולבנים בשל זרימת הדם. התופעה הזאת מתאפשרת הודות למערך צפוף של כלי דם שבתוכו שזורים צרורות של סיבי קולגן. החוקרים טוענים כי המרווח בין סיבי הקולגן משתנה כאשר כלי הדם מתנפחים או מתכווצים, תלוי אם הציפור נרגשת או כועסת... סכום הרווחים בין הסיבים משנה את הדרך שגלי אור מפוזרים, ודבר זה משנה את הצבעים של ראש התרנגול כפי שאנו רואים אותם. קבוצת מחקר מאוניברסיטת ברקלי, בהובלתו של פרופסור סונג-ווק לי (Seung-Wuk Lee), הצליחה לחקות את היכולת של תרנגולי ההודו לשנות צבע כדי לבנות חיישנים שיכולים לזהות חומרים כימיים נדיפים.
                                           תמונה מאת Ltshears, cc 3.0
חיישנים שפועלים ע"י שינוי צבע נוחים יותר לשימוש ולקריאה מאשר חיישנים ביולוגים קונבנציונליים המבוססים על טכנולוגיות אחרות. עם זאת, חיישנים אחרים מסוג זה המפותחים בעולם, יכולים רק לזהות מגוון מצומצם של חומרים כימיים, ולדברי החוקרים, הם יכולים להיות קשים מאוד לייצור. "המערכת שלנו נוחה, וזולה לבניה" טוען פרופסור לי. בעזרת המערכת שפותחה, טוענים החוקרים, יוכלו טלפונים חכמים שהותאמו לכך, לזהות חומר כימי. כדי לעצב את עור התרנגול באופן מלאכותי, פיתח צוות החוקרים טכניקה חדשנית לבניית ננו-מבנים הדומים לסיבי הקולגן. החוקרים מצאו דרך לגרום לבקטריופאג'ים מסוג M13, וירוסים שפירים עם צורה שדומה מאוד לסיבי קולגן, להתארגן באופן עצמאי לתבניות שניתן לתכנן אותן מראש. החוקרים מצאו כי כמו סיבי קולגן, צרורות של ננו-מבנים סינתטיים אלה התרחבו והתכווצו ובכך שינו את צבעם. עם זאת, המנגנון המדויק לתופעה זאת עדיין לא ברור. ההערכה היא, שהכמות הקטנה של מים בתוך הבקטריופאג'ים מגיבה למולקולות של החומרים הנדיפים.

החיישן הביולוגי החדש נחשף למגוון רחב של תרכובות אורגניות נדיפות כמו גם לאדים של חומר הנפץ TNT, בריכוזים של עד  ppb300 (חלקים למיליארד). החוקרים מצאו כי הווירוסים תפחו במהירות, וכתוצאה מכך נוצרו דפוסי צבע ספציפיים ששימשו כ-"טביעות אצבע", המאפשרות להבחין בין הכימיקלים השונים שנבדקו. עוד הראו החוקרים כי ניתן להגביר את הרגישות של החיישן לחומרים ספציפיים ע"י שינוי גנטי בדנ"א של הבקטריופאג' .M13 כמו כן, נמצא שהחיישן יכול לתת גם אינדיקציה על שינויים בלחות היחסית, בכך שהוא הופך אדום כשה​​אוויר לח וכחול יותר כשהאוויר יבש.
בארץ אנו שואלים את תרנגולי ההודו מתי פורים. בארה"ב, כל שנה, חונן הנשיא תרנגול הודו בחג ההודיה וביפן וקוריאה הם נקראים בשם "ציפור שבע הפנים" בשל יכולת שינוי הצבע שלהם. בעתיד, מקווים החוקרים שהטכנולוגיה שפותחה בהשראת ציפור רב גונית זאת תתפתח ותבשיל לכך שתוכל לשמש לטובת בדיקות נשימה לגילוי סרטן ומחלות אחרות.

למקור הידיעה

בנייה ללא הנהלה בהשראת הטרמיטים

מאת: דפנה חיים לנגפורד

במדבריות נמיביה, שותפים מיליוני טרמיטים לבניית הקן שמגיע לעיתים לעומק של מספר מטרים. במהלך שנת בניה של קן כזה טרמיטים רבים ימותו, רוחות וגשם יקשו על תהליך הבניה ויפגעו בה, ובכל זאת המשימה של בנית הקן לנחיל הטרמיטים תושלם בהצלחה.

בהשראת העמידות והאינטיליגנציה הקולקטיבית של נחיל הטרמיטים, פיתחה קבוצה של מהנדסי בנין ומהנדסי מחשבים מבית הספר להנדסה ומדע ישומי בהארוורד, בשילוב עם מכון Wyss להנדסה בהשראת הטבע מאוניברסיטת הארוורד, צוות בניה רובוטי, ה TERMES. המערכת לא זקוקה לא למנהל ולא לתקשורת – רק רובוטים פשוטים, רובוטים אשר משתפים פעולה על ידי השארת סימנים בסביבה.
רובוטי ה TERMES יכולים לסחוב בלוקים, לבנות לעצמם מדרגות ולעלות בהן על מנת להוסיף עוד בלוקים למבנה, ובאמצעות מספר חוקים פשוטים להשלים פרויקט בניה. מערכת זו הדגימה בניה מורכבת של מגדלים, טירות ופירמידות מבלוקים העשויים מקצף. בסרטון המצורף בקישור ניתן לצפות במערכת. 

ההשראה מהטרמיטים התמקדה ביכולתם ליצור מבנה מורכב כקבוצה, ללא הנחיה ופיקוח ובלי תקשורת רציפה אלא על ידי שינוי הסביבה. רוב הפרויקטים של הבניה מבוצעים כיום על ידי צוותי עבודה מקצועיים והיררכיים. בדרך כלל, יש תוכנית עבודה מפורטת כיצד לבנות, ומנהל העבודה מנחה את הפועלים תוך פיקוח תמידי. במושבות חרקים, אין מתן הוראות על ידי המלכה, הטרמיט הבודד אינו יודע מה שותפיו לצוות עושים או מה המצב של הפרויקט כולו.
 
הטרמיטים פועלים על פי הקונספט של Stigmery, תקשורת באמצעות השארת סימנים בסביבה ופעולה על פי סימנים אלה. בהתאם, במערכת ה TERMES מבצע כל רובוט את משימות הבניה שלו במקביל לרובוטים אחרים, אך ללא ידיעה מי עוד עובד באותו זמן. אם רובוט אחד מתפרק או צריך לעזוב הדבר לא משפיע על רובוטים אחרים. המשמעות היא שאותה משימה יכולה להתבצע על ידי חמישה רובוטים או על ידי חמש מאות. מערכת ה TERMES מספקת הוכחת היתכנות ליכולת להשתמש באינטיליגנציה מלאכותית במערכות גדולות.
הרובוטים במערכת מסוגלים לבצע משימות רבות בתהליך הבניה באמצעות ארבע סוגי חיישנים פשוטים ושלושה מנועים.

המשימות הנפוצות הן:

·         תנועה קדימה ואחורה וסיבוב

·         טיפוס או ירידה של גובה לבנה אחת

·         הרמת לבנה, סחיבתה והנחתה

·         אבחון רובוט או לבנה בקרבת מקום

·         מיכון עצמי ביחס ללבנת יחוס

האם בעתיד נעזר ברובוטים לבנית בנייני מגורים ומסחר?

למקור הידיעה

מקיים או לא מקיים – זו השאלה?

מאת: יעל הלפמן כהן

הצורך בפתרונות מקיימים נחשב לאחד המניעים לצמיחת תחום הביומימיקרי. אך האם בהכרח פתרונות ביומימטיים הם גם מקיימים?

סוגיה זו העסיקה קבוצת חוקרים מגרמניה, שפרסמה לאחרונה מחקר ראשון ומקיף העוסק בהערכת קיימות שיטתית של פתרון ביומימטי קיים.
הערכת הקיימות התבססה על שיטת,  PROSA (product-specific sustainability assessment)  
כאשר הפתרון הביומימטי הושווה לפתרונות חלופיים, לא ביומימטיים.
הפתרון הביומימטי שהוערך הוא מתחום האדריכלות. מדובר בתקרת צלעות באולם הרצאות, שנבנה בשנת 1960 באוניברסיטת פרייבורג  Freiburg)) שבגרמניה.

 
                                           תמונה מאת  cc2.0 patrick siemer   
 
מקור ההשראה לפיתוח התקרה הוא עצם חלולה, כאשר הקשר בין מבנה העצם לתכונותיה המכאניות נחקר ותורגם למודל של כוחות מתיחה ולחיצה. עצם, כידוע, היא מבנה ספוגי וחלול, המצטיין בחוזק יחסית למשקל. העומסים מפוזרים בעצם בצורה אופטימאלית. החומר של העצם למעשה קיים במקומות בהן נדרשת עמידות בפני עומסים.
הארכיטקט האיטלקי פייר נרוי (Pier Luigi Nervi ) היה הראשון שאימץ את עיקרון המשקל הקל של העצם ותרגם אותו למבנה דמוי צלעות, המספק חוזק מחד וחיסכון בחומר מאידך. בפטנט שנרשם בהקשר פיתוח זה מצוין במפורש המודל הביולוגי (העצם). עיקרון זה אומץ ע"י הארכיטקט הקר (Hecker) ב- 1960 ויושם בתקרת אולם ההרצאות  באוניברסיטת פרייבורג התוצאה היא תקרה חזקה וקלה. 

תקרה ביומימטית זו הושוותה לשתי תקרות אחרות. ההערכה כללה התייחסות לכל ממדי הקיימות, לרבות הממד החברתי, הכלכלי והסביבתי. לצורך כך בוצע ניתוח תועלות, ניתוח חברתי, וניתוח מחזור חיי מוצר (LCA) לבחינת השפעות סביבתיות. התוצאות מראות שלמרות שהתקרה נבנתה ב- 1960 היא עולה בהערכת הקיימות שלה על פתרונות חדשים יותר של תקרות קלות.

מקרה זה מחזק את הטענה אודות הקשר בין ביומימיקרי וקיימות. החוקרים מציעים להמשיך ולהשתמש במתודולוגית ה- PROSA  להערכת הקיימות של פתרונות ביומימטיים נוספים.  
 

סבלות בגובה דשא

מאת: זיו כהני

מחקרים מוכיחים שהמכניקה המובנית של צוואר הנמלה מאפשר לה להרים משקל של עד פי כ-5,000 (!) ממשקל גופה.
במחלקה להנדסה מכנית ותעופתית שבאוניברסיטת אוהיו, בה החליטו לחקור את היכולת של נמלה להרים משאות, העריכו בהתחלה שנמלה יכולה להרים משקל הגדול פי כ-1,000 ממשקל גופה.
אבל הם טעו.... המחקר הוכיח שמדובר בפי 5,000!!!!!


                                           תמונה מאת Alex Wild ,cc1.0

בתצפיות צמודות החוקרים עשו "הנדסה לאחור"- זאת אומרת, הסתכלו על הנמלה כמכלול מכני שלהם, ובנו מודל מכני מלאכותי, שמחקה בדיוק את המבנה של הנמלה - הן מבחינת החומרים מהם הוא בנוי והן מבחינת יכולת התנועה של איבריה.
כדי לחקור את המבנה המאפשר לנמלה לשאת משקל כזה,  ביצעו החוקרים צילומי רנטגן של הנמלים, בהם גילו שהצוואר של הנמלה מורכב ממבנה של רקמות רכות,  המחובר בצורה מיוחדת לשלד הקשיח של ראש הנמלה ולגופה. החיבור המיוחד מייצר מעין חיכוך, שבסופו של דבר מוריד את העומס שנוצר על צוואר הנמלה, שמשמש למעשה כמו ציר לפעולת ההרמה.

בהמשך המחקר הסתבר שהמבנה הקשיח והקל של הנמלה מאפשר לה להפעיל מינימום כוח כדי להרים את המשקל העצמי שלה, כך שרוב  הכוח של הנמלה פנוי לנושא ההרמה (לעומת בני אדם למשל, שחלק גדול מכוחם מופעל לצורך הזזת משקלם העצמי).  
התגליות האלה הפוכות למעשה ממה שרוב מפתחי הרובוטים מיישמים בפועל. הם בונים רובוטים קשיחים וחזקים, ולכן גם כבדים (הרבה ברזל...) על מנת שיוכלו להרים משקל שגדול באופן משמעותי, יחסית, למשקלם העצמי.  

אחרי גילוי שכזה, המשימה של החוקרים היא לפתח רובוט, שיכלול חיקוי של המכניקה המובנית של צוואר הנמלה, על מנת להשיג את אותה יכולת נשיאת משקל.
הנמלה היא מקרה נוסף שבו מוכיח לנו הטבע שגם בקונספט מכני בסיסי, היעילות שקיימת ביצורים בצורה טבעית, יכולה להוות מודל למה שמהנדסים צריכים לחשוב עליו.

למקור הידיעה