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 אפריל 2015

קוראים יקרים שלום,

"אין יצירות חסרות תועלת בטבע" אמר אריסטו, ותועלות אלו כמובן עומדות בבסיס החדשנות הביומימטית שלעיתים מתועלת חזרה לטיפוח והגנה על עולם הטבע. כך למשל, אמצעי תקשורת בין צמחים, חרקים וציפורים המבוססים על זיהוי קרינת UV , גויסו לפיתוח חלונות חכמים המגנים על ציפורים במעופן. חלונות חכמים אחרים שפותחו בהשראת מיקרו מבנים בטבע המצויים למשל בנוצות יונק הדבש, משנים את צבעם בהתאם לתנאי הסביבה ומבטיחים יעילות אנרגטית מבנית. יונק הדבש משמש בימים אלו גם כמודל לכלי תעופה זעירים עקב הדמיון הרב של תעופת ציפור זו לתעופת חרקים. ובעולם החרקים, הנמלים והפרפרים, הם המודלים שעומדים מאחורי החדשנות הביומימטית האחרונה של חברת .Festo

 על כל אלו ובמיוחד על ציפורים, פרפרים, נמלים, וזיקית אחת תוכלו לקרוא החודש בהרחבה.

 בברכת קריאה מהנה,

 צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי

ציפורים מחשבות מסלול מחדש לפני רמזור סגול

מאת: שמעון בוגן

ידוע שהראייה של בני האדם ושל בעלי חיים עיליים מוגבלת יחסית. תציצו, למשל, בתצוגה הפרחונית המרהיבה שרואה כל דבורה מצויה, כל חיפושית פשוטה וכל זבוב בזוי - אבל אף פעם לא נראית לעינינו.
הפרחים מאותתים מרחוק לחרקים מאביקים, ומכוונים אותם למרכזי האבקה והצוף באמצעות סימון בולט של מסלולים ומוקדים, ע"י החזרה או בליעה בררניות של קרני אור אולטרה סגול (UV). תבניות ומתווים שנראים רק ב UV נפוצים בתקשורת בין אורגניזמים בטבע. לא פלא, אפוא, שגם אצל העכבישים טווי הרשתות התפתחה במהלך האבולוציה טקטיקה זהה, לשם משיכה ולכידה של חרקי טרף. (קישור).

אמצעי האיתות וההכוונה בין העכבישים לבין הטרף נראים לנו כקישוטים (web decorations) לא משמעותיים בגלל כישורי הראייה המוגבלים שלנו, ואילו עבור העכבישים הם מהווים אמצעי חיוני להשגת מזון. התוספות המעובות, רדיאליות או ספיראליות, בנויות מקורי משי המחזירים קרינת  UV ומושכים חרקים, בעוד שהרשת העיקרית טוויה מקורי משי אפלים ובלתי נראים לעין החרק השאנן.


התכונה העכבישית הזו התפתחה לשכלול מופלא, כאמצעי משולב למשיכת חרקים למאכל וגם  להסתתרות מטורפים כמו צרעות. העכביש טווה "קישוט" – Stabilimentum – שמתחזה להיות פרש של ציפור, כזה שטורפים פוטנציאליים לא מוצאים בו עניין אבל חרקי טרף נמשכים אליו כמו אל מגנט. בעבודת מחקר שהתפרסמה  ב- NATURE הרחיקו החוקרים לכת ומדדו את המופע הספקטראלי המלא של ההסוואה. העכביש לא אכזב, וסיפק את הסחורה בצורת קורים שמחזירים את  אור השמש שכוללת קרינת אור אולטרה סגול, בחיקוי מדויק של המופע הספקטראלי של הפרש (dropping) כפי שהוא נראה לעיני החרקים בסביבה.


אבל לא רק אצל החרקים. גם אצל הציפורים התפתחה במהלך האבולוציה הראייה בתחום ה UV. תכונה זו מאפשרת לציפורים להבחין כהרף עין בטרף על הקרקע או באוויר, הודות לניגודיות הגבוהה שמתקבלת בתחום זה בין מראה הטרף לבין הרקע הסובב. כתוצאה משנית נלווית נשמרות ללא הרס הרשתות שטווים עכבישים בתוך שיחים ועצים ומחזירות קרינת UV, גם כשציפורים מעופפות סמוך מאד להן. תנועת הציפורים אינה מסכנת את הקורים ואינה מסכלת את השקעת המשאבים של העכבישים החרוצים. – כפי שאפשר לראות בקישור . מדעני חברת Arnold Glas ומהנדסיה אימצו, התאימו והטמיעו את התכונה שלעיל בבואם להציע הגנה על מאות מיליוני (!) ציפורים, שמקפחות את חייהן כל שנה בהתנגשויות במהירות גבוהה ובהתרסקויות אל חלונות זכוכית גדולים במגדלים מודרניים בכל העולם. החלונות השקופים הרגילים משקפים לציפורים את השמיים, העננים והעצים הרחוקים, ומדמים להן סביבה ראויה למעוף, או שהם משקפים להן את עצמן, כמתחרה על טריטוריה, שראוי לתקוף אותו בעוצמה רבה.

בחלונות שמתחשבים בציפורים, יש רשת צפופה, העשויה תבנית של סיבים מיוחדים, שמחזירים קרני שמש בתחום UV, והיא משולבת בתוך משטחי הזכוכית השקופה שמציעה החברה. הסיבים אינם נראים לעין הדיירים, אבל לציפורים הם משמשים רמזור מציל חיים, וגורמים להן לשנות את מסלולן תוך כדי מעוף. התוצאות מדברות בעד עצמן, אחרי שבאתר מסוים נמדדה ירידה של 75% בתאונות התרסקות של ציפורים. קישור: ORNILUX  , מוצר בהשראת הטבע.
חברת CollidEscape מציעה טכנולוגיה שונה בגישה דומה בחלקה, ע"י ציפוי חיצוני, שלטענתם הוריד התרסקויות ב 98%.

המאמץ החברתי והממסדי לטובת ההגנה על שלום הציפורים במעופן בסביבה עוינת זכה להכרה מקסימלית בפרוטוקול SSpc55 LEED של המועצה האמריקאית לבנייה ירוקה – USGBC, שמאפשר לצבור נקודת זכות אחת בדרוג הכללי של תכנון בנין מקיים, ידידותי לסביבה. (הניקוד קשור לתקנות והיתרים)- קישור.
ראוי לשבחים ולחיקוי  גם המהלך שנקט אגף התכנון בסן פרנסיסקו, העיר והמחוז, בפרסמו תקנים רלבנטיים בנושא,  בהמשך וכתוצאה למחקר בן 30 שנה - Standards for Bird-Safe Buildings    


מקור: חיבור מקורי.

 

חלונות חכמים בהשראת הטבע

מאת: יעל הלפמן כהן

בהשראת מיקרו מבנים בטבע פותחו חלונות חכמים המבוססים על טכנולוגיה תרמו כימית מוגנת פטנט, והם מבטיחים יעילות אנרגטית מבנית.

חשיפת מבנים לאור שמש טבעי מאפשרת חסכון בתאורה ושיפור איכות החללים המאוכלסים, אך אור השמש מביא עמו גם חום, אשר מחייב הפעלת מערכות קירור על מנת לשמר טמפ' נוחה. חלונות חכמים, המשנים את צבעם בהתאם לעונות השנה וטמפ' הסביבה, מהווים פתרון לניהול חכם של החשיפה לאור השמש, תוך וויסות כמות החום הנכנס למבנים.
חברת RavenBrick מייצרת בעשור האחרון חלונות חכמים כאלה, המבוססים על טכנולוגיה תרמו כימית* מוגנת פטנט, והם מחקים אסטרטגיה חוזרת בטבע של פיגמנטציה פאסיבית.

צבעם של מינים רבים בטבע משתנה בזכות מיקרו מבנים. נוצות יונק הדבש למשל, מחליפות צבעים הודות למבנה ייחודי בקצה הנוצות. המבנה כולל שלוש שכבות המורכבות מפסיפס של לוחיות סגלגלות. כל לוחית היא באורך 2.5 מיקרון וברוחב מיקרון אחד. הלוחיות אינן הומוגניות, והן מורכבות מבועות אוויר, הלכודות במטריצה בעלת מקדמי שבירה שונים. הצבעים המרהיבים הם תוצאה של מספר אפקטים, לרבות שינויים בעובי הלוחיות ושינויים בתנודות האוויר.  
החלון שפותח, המכונה RavenWindow, מופעל אוטומטית ואינו דורש אלקטרוניקה, וגם לא תכנות פעיל או תחזוקה. החלון מורכב ממערכת של שמשה כפולה. למשטח הפנימי של השמשה החיצונית נוסף פילטר תרמו כרומי. חלל אוויר מפריד את הפילטר מהשמשה הפנימית ומהכיסוי Low-e  הסטנדרטי. (כיסוי שנועד למזער את הקרינה האולטרה סגולית ואת האינפרה אדום מבלי לפגוע בכמות האור הנראה המועבר דרך הזכוכית). כאשר הטמפ' של השמשה החיצונית עולה מעבר לטמפ' המעבר, הפילטר משופעל. אז החלון עובר למצב "צבוע", חוסם את חום השמש, ממזער בוהק ומפחית את העומס על המערכות המכאניות. במהלך חודשים קרים, כאשר יש צורך בשמש על מנת לחמם את המבנה, הפילטר נשאר בהיר על מנת לאפשר לקרניים החמות להיכנס.

להלן  סרטון המדגים את פעולת החלון.

 
המערכת מאפשרת יעילות אנרגטית לאורך השנה. חלונות הם אחד הגורמים המרכזיים לאיבוד חום במבנים. ההערכה היא כי חלונות RavenWindow חוסכים כ - 30-40 אחוזים מצריכת האנרגיה של מבנים.  

היעילות האנרגטית המרשימה הזו תעבור בעתיד גם למעטפת המבנים. החברה עובדת כעת על פיתוח מעטפת מבנים תרמו כימית, שתוכל לקלוט אנרגיית חום, לאגור אותה  או לשחרר אותה בשעות בהן הטמפ' נמוכה, למשל בשעות הערב. יתרונם של קירות חכמים אלה על מערכות בידוד רגילות משמעותי, כיוון שהם יכולים לקלוט חום ולפלוט אותו, ולא רק לחסום אותו.

האם הצופית עפה כציפור או כחרק?

מאת: דפנה חיים לנגפורד

העובדה שהצופית מרחפת מעל פרח אחד, וטסה במהירות ובפתאומיות רבה לפרח אחר מרשימה, אך גם מעוררת שאלות בעניין מנגנון התעופה שלה. האם אפשר לחקות את מנגנון התעופה היעיל של הציפור הזעירה בכלי תעופה מלאכותי, דוגמת הליקופטר?
הצופית, הידועה גם בשם יונק הדבש, משתייכת למין הציפורים הקטנות ביותר. עם זאת, מהירות התעופה ויכולת הריחוף המרשימות של הצופית עוררו סקרנות רבה. חוקרים מצאו שהציפור הקטנה מסוגלת להניע את הכנף עשרות רבות של פעמים בשניה אחת (בין 50-80) עובדה שמאפשרת לה להגיע למהירות של מעל 50 קמ"ש. בזמן תעופה, נמדד שפעימות ליבה מגיעות ל 1,260 לשנייה, כלומר קצב חילוף החומרים של הצופית מהיר כל כך, עד שעליה לאכול מספר פעמים רב מאוד ולמעשה לאכול משקל השווה למשקל גופה בכל שעה. בלילה, על מנת לא לרעוב, המטבוליזם של הצופית יורד משמעותית והיא למעשה מצויה במצב מטבולי הדומה למצב של תרדמת חורף.
מזה זמן, תעופת הצופית מעוררת ענין בקרב מדענים, חלקם חשבו שתעופת הצופית דומה לתעופת חרקים, בעוד אחרים טענו שתעופת הצופית דומה לתעופת ציפורים כאשר הכנף משמשת כעין להב. באמצעות סימולציה אווירודינמית של תעופת הצופית בתלת ממד, נמצא שהצופית מגיעה ליכולות האוירובטיות שלה באמצעות מערכת כוחות אווירודינמיים הדומים יותר לכוחות האווירודינמיים המאפיינים תעופת חרקים, מאשר לאלה המאפיינים תעופת ציפורים.
על מנת לרחף מעל הפרח, הצופית נדרשת לכוח עילוי מספק. בעוד ציפורים אחרות משתמשות בנפנוף כנפיים, כוח העילוי במקרה זה, מקורו אינו ברפרוף כנפיים מהיר, אלא במנגנון הרבה יותר מתוחכם: הצופית עושה שימוש במכניקת זרימת אוויר המאופינת בחוסר יציבות, זו גורמת למערבולות אויר בלתי נראות היוצרות את כוח עילוי שלו זקוקה הצופית על מנת לרחף ולרפרף בין פרח לפרח.

                                  תמונה מאת Charlesjsharp, cc 3.0
                                   
למשל, כיוון הכנפיים קדימה ולמטה יוצר מערבולות קטנות המצטרפות למערבולת גדולה יותר - אזור עם  לחץ נמוך המאפשר עילוי. בנוסף, הציפורים הקטנות מגדילות את כוח העילוי באמצעות כיוונון עדין של הכנפיים לכיוון הרצוי.
עוד הבדל מעניין בין הצופיות לאחיותיהן הציפורים הוא יכולתן להפוך את הכנף וליצור כוח עילוי הפוך בעת הצורך.
למרות שהצופיות גדולות בהרבה מהחרק המעופף הממוצע והן מערבלות את האוויר הרבה יותר מהחרק בזמן תנועה, תעופת הצופית קרובה יותר לתעופת חרקים מאשר לתעופת ציפורים.
חרקים כמו שפיריות, זבובים ויתושים יכולים לרחף ולזנק קדימה, אחורה ולצדדים. מבנה הכנפיים שלהם שונה מאד מכנפי הצופית והוא מכיל קרום דקיק ולא נוצות. גם חרקים עושים שימוש במכניזם של זרימת אויר בלתי יציב הגורם למערבולות שמייצרות כוח עילוי הדרוש לתעופה. גם כנפי החרק נעות כך שהן יכולות ליצור כוח עילוי חיובי דו צדדי.
בהמשך למידול מנגנון התעופה המרשים של הצופית, מנסות קבוצות חוקרים / מפתחים שונות ללמוד כיצד ניתן ליישם את התעופה המהירה והיעילה של הצופית במערכות תעופה ממוזערות לצרכים אזרחיים וצבאיים כאחד.

מקור הידיעה

צופית לעומת חרקים

רובוטים ביוממטיים חדשים של חברת פסטו


מאת: יובל שרמן
משפחת בעלי חיים רובוטיים, שנוצרו על ידי החברה הגרמנית פסטו (Festo), גדלה. כחלק מרשת הלמידה הביומימטית, הציגה החברה שלושה רובוטים חדשים: נחיל של נמלים שיכולות לעבוד בשיתוף פעולה, רובוט פרפר המתעופף בקלילות של החרק, וזרוע אחיזה רובוטית המבוססת על לשון הזיקית.
הנמלה הביונית, הנקראת BionicANTS, קיבלה השראה לא רק מהצורה הפיזית של גוף החרק, אלא גם מאינטליגנציית הנחיל שלו. בפעם הראשונה, גם ההתנהגות השיתופית של היצורים הועברה לעולם של טכנולוגיה באמצעות אלגוריתמי בקרה מורכבים.
"כמו מודל החיקוי הטבעי שלהם, הנמלים הביוניות עובדות יחד תחת כללים ברורים", אומרים בפסטו. "הן מתקשרות ביניהן ומתאמות את הפעולות ואת התנועות שלהן. כל נמלה מקבלת את החלטותיה באופן עצמאי, אבל היא תמיד כפופה למטרה המשותפת ובכך היא ממלאת את תפקידיה למען ביצוע המשימה" .
כל נמלה כזו, שגודלה 13.5 ס"מ, עוצרת נשימה מבחינה חזותית, כאשר כל המעגלים החשמליים שלה מוטבעים על גבי המבנה החיצוני, ומשמשים כחלק מהעיצוב שלה, ולא לתפקוד בלבד.
מודול רדיו בבטן של הנמלה מאפשר לנמלים לתקשר ביניהן, ומתקנים פייזו-קרמיים (המייצרים תנועה מכנית כתוצאה של מתח חשמלי, ללא שימוש במנוע) מאפשרים לרגליים ולצבתות לעבוד במהירות ובדיוק. מצלמת תלת-ממד בראשה של הנמלה מאפשרת לה לראות, וחיישן אופטי אינפרא אדום בחלק התחתון שלה רושם את המרחק שהיא מכסה על הרצפה. שתי סוללות ליתיום מספקות עד 40 דקות של אנרגיה לפעולה עצמאית, לפני שהנמלים יגיעו בעצמן לתחנת הטעינה שלהן, אליה יתחברו באמצעות המחושים.

 
פרטים נוספים  על הנמלים הביוניות – באתר של חברת פסטו.
גם התעופה של הפרפרים העדינים, הנקראים EMotionButterflies, מתואמת ביניהם באמצעות מערכת רשת חכמה.
"תעופה היא מוטיב חוזר ברשת הלמידה הביונית", אומרים ב-Festo. "המפתחים השתמשו בידע שצברו מפרויקטים קודמים שעסקו בתעופה, ושילבו את המבנה האולטרה-קל של חרקים מלאכותיים עם התנהגות של תעופה מתואמת בנחיל".
המערכת מורכבת מעשר מצלמות אינפרא-אדום בעלות מהירות גבוהה, המותקנות במרחב שבו הפרפרים עפים. המצלמות עוקבות אחרי סמני אינפרא אדום על הפרפרים הרובוטים, מעבירות נתונים בזמן אמת למחשב ראשי מרכזי, המרכז את התנועות של הפרפרים, ומונע מהם מלהתנגש זה בזה - בהחלט הישג, בהתחשב במוטת הכנפיים בת 50 הסנטימטרים של הפרפרים.
כל פרפר שוקל רק 32 גרם, וכולל שני מנועי סרוו, מעגל אלקטרוני ושתי סוללות ליתיום קטנות, והכל ארוז על גוף זעיר. הסוללות מספיקות רק לארבע דקות של תעופה, עם זמן טעינה של 15 דקות.
"עם הפרפרים האלה מתקדמת חברת פסטו צעד נוסף בתחום המזעור, הבנייה הקלה והאינטגרציה התפקודית. הפרפרים הרובוטיים הם מרשימים, יש להם מערכת מכאנית נבונה ויחידת הכוח הקטנה ביותר האפשרית במרחב המצומצם ביותר. צמצום השימוש בחומרים מאפשר התנהגות תעופתית הנאמנה לטבע", אומרים ב- Festo.
פרטים נוספים וסרטון וידאו על הפרפרים הרובוטיים – באתר של חברת פסטו.
כמו כל בעלי החיים הרובוטיים של Festo, סביר שגם אלה לא יגיעו לייצור סדרתי, וישמשו למטרות פיתוח של רובוטים תעשייתיים בעתיד. לעומתם, הפיתוח הבא שימושי מאוד ברובוטים התעשייתיים של החברה. 
מדובר בזרוע רובוטית, המסוגלת לתפוש עצמים במגוון רחב מאוד, בדיוק ובעדינות רבה. הזרוע מבוססת על יכולת התפיסה המרשימה של לשון הצייד של הזיקית. הזיקית מסוגלת לתפוס מגוון רחב של חרקים על ידי כך שהיא עוטפת אותם בלשונה. התקן ה-FlexShapeGripper משתמש בעיקרון זה לאחיזת המגוון הרחב ביותר של אובייקטים באופן ההולם את צורתם. ע"י שימוש בכיסוי סיליקון אלסטי, ההתקן יכול אפילו להרים כמה חפצים ביחד ולהניחם בחזרה בתנועה אחת.
פרויקט זה הוא תוצאה של שיתוף פעולה בין חברת פסטו ואוניברסיטת אוסלו, והוא מראה כי חברת פסטו משתמשת בביומימיקרי כמנוע חדשנות לפיתוח פתרונות לאוטומציה תעשייתית.
פרטים נוספים וסרטון וידאו  באתר של חברת פסטו.