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 אוגוסט 2014


קוראים יקרים שלום,
בידיעון חודש זה, בחרנו לספר לכם על שיני הציד המופלאות של הדיונון, הדפסת תלת ממדית בהשראת הטבע ומה אפשר ללמוד מ...שערות האף.
עוד בחרנו לשתף אתכם בעיצוב ביומימטי חדשני לבקבוק מים אשר באמצעות מבנה חכם מאפשר צמצום של כמות החומר הדרוש ליצורו של בקבוק בודד.

בברכת קריאה מהנה,
ושנת לימודים מוצלחת, פוריה ובטוחה,

צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי

קן צרעות בחדר האורחים


מאת: שמעון בוגן

הדפסה תלת ממדית זוהתה כבר כטכנולוגיה עתידית, שעשויה להיתרם מגישת הביומימיקרי ולחולל מהפיכה בדרך בה נעצב את עתידנו בהשראת הטבע. בהמשך לחזון ששרטטנו בידיעה הקודמת, נפרט הפעם צעדים ראשוניים להפיכת החזון למעשה, ונרחיב על האופן  בו בונות הצרעות את הקינים שלהן בהקשר של הדפסה תלת ממדית. 

הצרעה מכרסמת עצים רכים ופריטים מעשי יד אדם שעשויים מעץ רך, לועסת את העיסה, טוחנת אותה ומערבת אותה בדונג. מהתערובת של חומר המבנה בונות הצרעות קינים מעוצבים להפליא, קשיחים, מוגנים, מאווררים, אטומים למים, חסינים בפני גשם ועמידים למשך שנים רבות. 
התמונה באדיבות Fabio Brambilla
חברת 4AXYZ  מסיאטל ארה"ב פרצה לתודעה במיזם, שבא לשכנע אותנו לצרוך ריהוט שמיוצר בטכנולוגיית D3 ובקוד פתוח, מעוצב מכל סוג עץ ובשילובים מדהימים, בכל סגנון ולסיפוק כל דמיון, גם הפרוע ביותר. 
המדפסת, כמו הצרעה, "יורקת" את חומר המבנה ומייצרת את המבנה "מבפנים החוצה", בכל זווית, בכל פיתול ומסביב לכל חלל בדיוק מקסימלי. אפשר להתרשם ממגוון העיצובים ומאוסף האפשרויות של יוצרים (Makers) מכל העולם כשמגגלים 3D printing wood, ומבקשים תמונות.  Jérémie François מצרפת, למשל, מספק לנו דוגמא שמחברת אותנו לצרעה, כולל דימוי של עוקץ
התמונה באדיבות
הבסיס לפעילות הייצורית הביומימטית לעיל מגיע בצורת סלילים של חוטים עבים מעץ טחון, מעורב ומקושר בתוך PLA, פולי-חומצה-לקטית, שהוא ביו-פלסטיק. חומר הגלם כולו ממקור טבעי, אינו מזהם, פריק ביולוגית (למה לזרוק?), בר השבה ובר מחזור. הפולימר עצמו מיוצר מחומר צמחי, ובתהליך העבודה הוא מפיץ ריח של פנקייק... 
התערובת והמוצר הסופי נראים כמו עץ, מתנהגים כמו עץ, ניתנים לעיבוד כמו עץ ואפילו מריחים כמו עץ, בהתאם לסוג העץ שממנו עשויים. למידע נוסף על חומר הגלם הביומימטי הכנסו לקישור הבא. 

בהיבט האומנותי של עיצוב הרהיט יש אפקט שרק העץ הגדל בטבע, הצרעות הבונות את הקינים וההדפסה בתלת ממד יודעים ליצור ואומני עץ אינם מסוגלים לחקות – שילוב של גוונים ובני גוונים, העולים זה מתוך זה ונמסים זה לתוך זה בהדרגה (מתפיידים).

תופסים כיוון


מאת: יעל הלפמן כהן

ידוע כי בקבוקי מים מפלסטיק מהווים מקור ניכר לזיהום סביבתי. האם ניתן לעצבם מחדש כך שיתבזבז פחות חומר בתהליך יצורם ? 
חברת Unicer, הבעלים של המותג Vitalis, מותג מים ידוע בפורטוגל, התמודדה עם אתגר זה.
הפתרון הראשוני שעלה הוא לחזק את הבקבוק בתומכות אופקיות, שיאפשרו הפחתה כללית של חומר, אך עיצוב זה הוא בעל מראה תעשייתי בעוד שהחברה פונה לשוק דינאמי, ספורטיבי וצעיר, והיה חשוב לה לשמר מראה מודרני ולא תעשייתי. על מנת לחפש פתרון אחר פנתה החברה, למעבדת החדשנות Logoplaste בבקשה לסייע בפיתוח בקבוק מים חדשני. הגדרת האתגר כללה עיצוב מחדש של הבקבוק כך שיהיה הבקבוק הקל ביותר בשוק, בעל השפעה סביבתית מופחתת, אך מותאם לקו המוצרים הנוכחי ולמיצוב המודרני של החברה. 

מעבדת החדשנות Logoplaste אימצה את מתודולוגיית הביומימיקרי לפתרון האתגר, ופנתה לחפש פתרונות בטבע. אחד הפתרונות שזוהו כמעניינים, בעקבות המחקר המקיף שהחברה בצעה, הוא עקרון הצמיחה הספירלית של סיבים בעץ ממשפחת המחטיים מסוג (Pinus albicaulis Engelm) , המקנים חוזק לעץ.
מבנה סלילי הוא אחד המבנים החוזרים בטבע, והוא מזוהה כמבנה המייצר חוזק. עורקי הדם שלנו למשל עשויים מקולגן בעל מבנה סלילי, המקנה חוזק לעורק כנגד לחץ הדם הזורם. גם מבנה ספירלי הוא מבנה חוזר בטבע המזוהה עם הפחתת עומסים. בהתבסס על מודל צמיחה ספירלי תוכנן מחדש גוף הבקבוק, כך שיכלול מבנה סלילי בעל זווית נטייה משתנה לפי החוזק האופקי והאנכי הדרוש במשטח עקמומי מסוים. חוזק זה מאפשר הפחתה כללית של חומר. סימולציות הראו כי המבנה החדש יותר יעיל בהפחתת המשקל מהמבנה המסורתי, וחיזקו כיוון פיתוח זה. התוצר הוא בקבוק הפלסטיק הקל ביותר בשוק כיום, המשמר את חוזק המיכל. סך החומר גלם המשמש לייצור בקבוק זה ירד ב- 7%. 

    תרשים באדיבות: Thomas Petrig. תמונות התרשים באדיבות Logoplaste

בנוסף, העיצוב החדשני מספק מראה מודרני ורענן ועוזר לשמור על נתח השוק של החברה. המותג מיוצא כיום לאירופה, אפריקה צפון ודרום אמריקה וממלא תפקיד חשוב במיצוב של חברת Unicer כחברה חדשנית ובמימוש אסטרטגיית הקיימות שלה. 

חלונות חכמים בהשראת שערות האף


מאת: אופיר מרום
חוקרים מאוניברסיטת MIT שבארה"ב ייצרו חומר אלסטי המצופה במבנים מקרוסקופיים דמויי שערות, שניתן לשלוט בהן על ידי הפעלת שדה מגנטי.

סיליה (cilia) הן שערות קטנות המזדקרות מתאים מסוימים, כמו אלו שנמצאות בדרכי הנשימה או במערכת הרבייה הנקבית ביונקים. באזורים אלה השערות מכסות את פני השטח, הן זזות בתדירות קבועה ובסנכרון כדי ליצור תנועה של מה שנמצא על המשטח בין אם כדי לסלק חלקיקים, כפי שקורה באף, או כדי ליצור תנועה של נוזלים, כפי שקורה למשל בחצוצרות.   

"אנחנו רואים הרבה את המבנים הדינמיים האלה בטבע", אמר יאנגיינג ז'ו (Yangying Zhu), חוקר מאוניברסיטת MIT . "אז חשבנו, 'מה אם היינו יכולים להנדס מבנים בגודל מיקרוני, ולגרום להם לזוז?" זה יוכל להרחיב את הפונקציונליות של המשטחים". וכך, בהשראת הסיליה, הצליח צוות החוקרים ליצור מערך של מיקרו שערות על שכבה שקופה של סיליקון. כל מיקרו-שערה כזאת עשויה ניקל, אורכה 70 מיקרון ורוחבה 25 מיקרון - כרבע מקוטרה של שערה אנושית. כאשר הוכנס המבנה החדש בין שני מגנטים, נמצא שניתן לשלוט על הזווית ועל הכיוון של השערות, מכיוון שהן נוטות בהתאם לכיוון השדה המגנטי. במטרה ללמוד על יכולות המשטח החדש, הוזרקו עליו מים דרך מחט. תחת השדה המגנטי, זרם הנוזל רק לכיוון אליו נטו המיקרו שערת. אותו אפקט פעל גם כאשר הועמד המערך כנגד קיר. בשילוב של מתח פנים והטיית עמודים, המים טיפסו כלפי מעלה, על פני המערך, כנגד כוח הכבידה. 

בנוסף, מכיוון שמערך השערות בנוי על מצע של סיליקון שקוף, נמצא שבעזרת הטיית המיקרו שערות ניתן לשלוט על כמות האור החודר – כמו ששינוי זווית התריסים בחלון מאפשרת לסנן את השמש. הדינאמיות של המשטח החדש פותחת שלל אפשרויות לשימושים נוספים, הדורשים שליטה בזמן אמת על זרימת נוזלים ועל מעבר אור, כמו חלונות חכמים, עור מלאכותי או מעבדה על שבב (lab on chip).  

משיני הדיונון לשיקום רקמות

מאת: דפנה חיים-לנגפורד

הדיונון הינו טורף ימי מרתק, לו מערכות מופלאות שונות. בנוסף לכך שלדיונון שלוש לבבות, מערכת עצבים מפותחת ביותר ומערכת ראיה מרשימה, הדיונון צד על ידי קריעת בשר הטרף על ידי זרועות הציד המפותחות שלו.

התמונה באדיבות Ciar
 Ali Miserez וצוות חוקרים מסינגפור הצליחו לפצח את מבנה שיני הדיונון, שהן בעלות חוזק רב אך גם בעלות גמישות מרשימה. לדעת החוקרים חיקוי של חומר זה יוכל לשמש ביישומים שונים, מהעולם הרפואי ועד לאריזות ידידותיות לסביבה.

זרועות הציד של הדיונון מצוידות במאות כוסות שאיבה לאורכן. כל כוס שאיבה מתפקדת כטבעת שיניים חדות כסכין, העוזרות לטורף רב עוצמה זה לאחוז בטרף ולהכניעו. במחקר שפורסם בכתב העת המדעי ACS Nano, מדווחים החוקרים שהחלבון שמרכיב את השיניים האלה יכול לשמש כבסיס לחומר חזק אך בעל יכולת חישול, שביום מן הימים יוכל לשמש בניתוחי שיקום, לאריזות ידידותיות לסביבה וליישומים רבים נוספים.

Ali Miserez ועמיתיו מסבירים כיצד גילו במחקרם הקודם ששיניו החדות והקשיחות של הדיונון מורכבות מחלבון בלבד. תגלית זאת מבדילה את שיני הדיונון מפולימרים טבעיים רבים ומרקמות קשות כמו עצמות, אשר מורכבות מחלבונים בשילוב מינרלים שונים וחומרים נוספים ליצירת דרגת הקושי הדרושה. עד כה הצליח הצוות לפענח את הקוד הגנטי של אחד החלבונים, ומצא שלחלבון המסוים הזה יש יכולת קיפול לצורות שונות.  

במחקרם החדש, נמצאו עוד 37 חלבונים משני מיני דיונונים. הצוות קבע את המאפיינים של החלבונים, כולל את דרך יצירת המבנה. מסתבר שגם לקורי העכביש, הידועים ברמת החוזק שלהם, מבנה דומה. 

בדומה לקורי העכביש, גם לחיקוי חלבוני שיני הדיונון קיימות אפליקציות בתחומים רבים ומגוונים, ויתכן שיהיה אפילו פשוט יותר ליצר אותם בשיטות מעבדתיות, מאשר את קורי העכביש. החוקרים מאמינים שהחומר המבוסס על שיני הדיונון יכול לשמש ליישומים רפואיים כגידים מלאכותיים, כמבנה עזר לגדילת עצמות וכן למוצרים ידידותיים לסביבה בתחומים שונים, כמו אריזות שישמשו תחליף למוצרים דומים, המיוצרים כיום על בסיס של דלקים פוסיליים.