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 מאי 2015

קוראים יקרים שלום,

לאחרונה נתבשרנו כי בשנת 2014 התגלו 139 מינים חדשים באזור קמבודיה, לאוס מיאנמר, תאילנד ווייטנאם מתוכם 90 צמחים, 23 זוחלים, 16 דו-חיים, 9 דגים ויונק אחד.  מעבר לתמונות המרהיבות בהן אתם מוזמנים לצפות בלינק הבא, יש לזכור, כי כל מין חדש שנמצא מהווה מקור למידה ולחיקוי של מודלים ומנגנונים שלא היו ידועים לנו קודם לכן, בעוד כל מין שנכחד הוא מורה שאבד. 

בידיעון זה נספר לכם על פיתוח טכנולוגיות לתיקון עצמי בהשראת קרן הקרנף, מין הנמצא גם הוא בסכנת הכחדה, על מאמץ לפיתוח התראה מוקדמת מפני רעידות אדמה בהשראת התנהגות בעלי חיים, על מחקר מהטכניון בחיפה, שגילה את יתרונות מבנה קשקשי הדג ונסיים בזרוע רובוטית בהשראת התמנון שעשויה יום אחד להחליף את כלי הניתוח הרגילים.

בברכת קריאה מהנה,
צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי

קרן הקרנף ויכולות תיקון עצמי

מאת:  יעל הלפמן כהן

מנגנון הריפוי העצמי של קרן הקרנף הוא מקור ידע והשראה לפיתוח חומרים חכמים המאפשרים זיהוי סדקים, מניעת התפתחותם ותיקונם במהירות האפשרית.

קרן הקרנף ידועה בסגולות ריפוי, שיכוך כאבים ואף שיפור כוח הגברא. אבקת הקרן משווקת בעולם במחירים גבוהים. מחירה הגבוה של הקרן הוא הגורם לציד קרנפים בקצב העלול להביא להכחדתם. אך במקום להשתמש בקרן, ניתן לחקור את  מנגנון התיקון העצמי שלה כבסיס לפיתוח חומרים חכמים.
בטבע, הקרנף  משתמש בקרן לאיתור צמחים ומינרלים החבויים באדמה וכאמצעי להגנה ולתקיפה. שימושים אלו חושפים את הקרן לעומסים מכאניים של כוחות פיתול ודחיסה, שעלולים לגרום להתפתחות סדקים ולפגיעה בקרן. כיצד אם כן נפתר אתגר זה?

קרן הקרנף, בניגוד לקרני יונקים אחרים, אינה מכילה עצם אלא מורכבת מקרטין בלבד. לקרן מנגנון ריפוי עצמי ברמה המיקרוסקופית. כאשר סדקים קטנים מתחילים להתפתח, פרוטאין ממלא את החלל שנוצר  ומתקשה בעקבות חשיפה לאוויר. אחת התהיות שהעלו חוקרים עם חשיפת מנגנון זה היא העובדה שקרטין היא רקמה מתה שאינה מכילה תאים חיים. למרות זאת, מדענים הצליחו לתעד שאכן קיים פולימר הממלא את הסדקים בקרן. יתכן ואכן יש תאים חיים בקרן או שישנו מנגנון המאפשר העברת תאים אלו לקרן. נושא זה עדיין נחקר.

                           תמונה מאת  CC 2.5 EDUARDO SORTICA 

אך בעוד המחקר נמשך, פיתוחים בהשראת מנגנון זה כבר החלו.
כשל ספונטאני הוא תקלה מסוכנת. קשה להבחין בסדק בגודל שערה המתפתח במרכיבים משמעותיים לתפקוד המערכת, כמו מנועים למשל, מכיוון שהם ממוקמים "עמוק" בתוך המערכת. יש צורך בחומרים חכמים בעלי יכולות ריפוי עצמי ((Self-healing המתנהגים באופן דומה לקרן הקרנף או לגוף האדם. חומרים חכמים אלו מאפשרים את זיהוי הכשל (סדק), מניעת התפתחותו, ותיקונו במהירות האפשרית.

ישנן אפליקציות אפשריות רבות לחומרים חכמים אלו בתעשיית הבניה, או בתחום הרפואי. כך למשל, בהשראת קרן הקרנף , פותח בטון חדשני בעל יכולות תיקון עצמי המכיל מיקרו-קפסולות המלאות בשרף. כאשר סדקים קטנים מתחילים להתפתח בבטון, כדוריות השרף נפתחות וממלאות את החלל שנוצר בעקבות הסדק. פרויקט מעניין נוסף מתבצע בנאס"א, גם הוא בהשראת קרן הקרנף. מהנדסי חומרים פיתחו סיב גרפיט בעל יכולות תיקון עצמי המיועד לשמש למעטפת של מפציצים.
 
ולסיכום-  מומלץ בהחלט להעביר את כספינו מקרן הצבי לקרן הקרנף !
 

קשקשים: לא בעיה אלא פתרון

מאת אופיר מרום

קשקשי דגים מהווים השראה לייצור חומרים חזקים וגמישים.

גוף הדג המכוסה קשקשים מהווה דוגמא אלגנטית לאופן שבו הטבע מתמודד עם הצורך ליצור מערכות שהן קלות, קשיחות וגמישות גם יחד. עם אותה בעיה בדיוק מתמודדים מהנדסים ומדענים שנדרשים לתכנן יחידות שיגנו על כלי רכב או בני אדם ולכן זה אך "טבעי" לנסות לייצר את אותו פתרון באופן מלאכותי. כאן בדיוק נכנס לתמונה סטפן רודיך, פרופסור-משנה בפקולטה להנדסת אוירונאוטיקה וחלל בטכניון. פרופסור רודיך מתמחה ביצירת חומרים מרוכבים ורכים. עבודותיו הראשונות של רודיך היו תיאורטיות בלבד. הן בחנו באופן אנליטי את התנהגותם של חומרים אקטיביים, שמשנים את תכונותיהם בעקבות גירוי חיצוני, ושל חומרים שהמבנה המיוחד שלהם מאפשר לבצע מניפולציות על גלי קול. בנוסף, אפיינו רודיך ושותפיו את מנגנון ההגנה שיש לדג בעל קשקשים קשיחים השקועים בתוך הרקמות הרכות. עבודת המחקר התאורטית הניבה כללים המאפשרים לתכנן וליצור חומרים גמישים בעלי עמידות משופרת. אם העבודה הייתה מתבצעת לפני מספר לא רב של שנים, אולי היא הייתה נעצרת כאן. אולם, ההתקדמות הטכנולוגית שהביאה אתה מהפכת מדפסות התלת ממד אפשרה לרודיך להתקדם צעד נוסף עם המחקר ולבדוק את הממצאים התיאורטיים שלו במציאות.

                                   תמונה מאת cc2.5 Piet Spaans 
,
בעבודה שממצאיה התפרסמו לאחרונה במגזין המדעי Soft Matter מתאר רודיך את תכונותיו של החומר החדש שיצר במעבדתו. בדומה למבנה של גוף הדג, החומר החדש נוצר משילוב של שני חומרים. הראשון חומר רך וגמיש והשני קשיח ועמיד. שני החומרים הודפסו, בהדפסה תלת ממדית, בשכבות, אחד על גבי השני לסירוגין. במהלך הניסויים נבחן כיצד הגיאומטריות השונות של השכבות משפיעות על תכונותיו של החומר החדש. התוצאות הראו שבאמצעות טכניקת הייצור החדשה ניתן להגדיל את חוזק החומר עד פי 40 על חשבון ירידה של רק פי 5! בגמישות. גמישות וחוזק נחשבות באופן מסורתי כתכונות מנוגדות שבאות אחת על חשבון השנייה. בעבודה הנוכחית מציג רודיך שע"י שילוב נכון של שני חומרים שונים ניתן באופן פשוט יחסית לשפר את חוזק החומר מבלי לגרוע באופן משמעותי מגמישותו. השיטה תוכל לאפשר בעתיד ליצור חליפות מגן קלות בעלות גמישות באזור המפרקים ובאותו הזמן בעלות קשיחות גבוה להגנה משופרת לשאר חלקי הגוף. בשלב הבא מתכנן רודיך לבחון את עמידות החומר החדש באופן דינאמי כנגד עצמים שיפגעו בו במהירות כמו קליעים או רסיסים.

בניסוי זה נבחן שילוב של שני חומרים ספציפיים בין היתר משיקולים טכניים. אין ספק שהממצאים של מחקר זה פותחים צוהר לעולם חדש של אפשרויות. ככל שטכנולוגית מדפסות תלת הממד תשתפר, כך ניתן יהיה ליצור חומרים שמותאמים אישית לכל יישום. במידה מסוימת, ניתן לומר שעבודה זו ייחודית בנוף הביומימקרי. לרוב תהליך היצירה דורש עבודה משלובת של אנשים מאסכולות שונות. כאן, הנגישות הגבוה של ייצור מודלים באמצעות מדפסות תלת ממד אפשרה לחוקר לממש ולבחון במהירות תובנות שהושגו ממחקר מדעי אקדמאי של עולם החי.


חיזוי רעידות אדמה בהשראת התנהגות בעלי חיים

מאת: שמעון בוגן

מועקה, תשישות זמנית, אי שקט, בלבול, רוגז, חוסר תאבון, קשיי נשימה, כאבי ראש עזים, תוקפנות, דחף חזק לברוח בריחה.... מה אומר האוסף המדכא הזה של תסמינים בחיות ובבני אדם? תלוי את מי שואלים.

לפי אנשי רפואה ובריאות הנפש, וגם זקני העמק– שרב כבד. לפי הנוירולוגים התנהגותיים – עודף חריג של סרוטונין בדם ובמוח, הפגיעה מכונה בספרות הרפואית תסמונת סרוטונין. לפי הנוירופיזיולוגים – עליה זמנית בריכוז סרוטונין בדם ובמוח הנגרמת בהשפעת סביבה עשירה ביונים חיוביים באוויר.לפי הביומטאורולוגים –  מזג אוויר שרבי מתאפיין בעודף מטענים חיוביים באוויר הננשם, ומשבש את האיזון ההורמונלי בגוף.

מסורות עממיות בנות מאה דורות מתארות התנהגויות חריגות זהות בקרב בעלי חיים שונים, פראיים ומבויתים, בסביבות אקלימיות מגוונות. עוד נמצא, תעוד עשיר של התנהגויות חריגות של בעלי חיים, עד כדי היעלמותם המלאה למספר ימים, ללא קשר לשינויים במזג האוויר, אלא למה שהתברר בדיעבד כהתרחשויות פתאומיות של רעשי אדמה הרסניים וקטלניים.

קבוצת חוקרים רב לאומית בראשות הביולוגית הסביבתית האנגליה ד"ר רחל גרנט תיעדה בפרוט רב ובמשך תקופה ארוכה התנהגות של בעלי חיים בסביבתם הטבעית ביערות הגשם של פרו, וקלטה במצלמות התנועה התנהגות קיצונית חריגה רצופה ועקבית בתקופת 3 שבועות. בדיעבד התברר שזה משך הזמן שחלף בין תחילת הסימנים המוקדמים שנקלטו על-ידי בעלי החיים לבין רעש אדמה בעוצמה 7.0 בסולם ריכטר בלב האזור הנבדק. חשוב לציין שזו לא הייתה אפיזודה מקרית אלא אחת מתוך סדרת תצפיות בזמנים שונים ובאזורים מועדי-רעש שונים.
במקביל למעקב אחר בעלי החיים בוצע ניטור, על-ידי חישה מרחוק של השתנות השדה החשמלי בין פני הקרקע באזור מוקד הרעש לבין שכבת היונוספירה שמעליו. שכבה זו מחזירה גלי רדיו שמגיעים אליה מפני כדור הארץ. נמצאו הפרעות משמעותיות בתקופה של שבועיים שלושה לפני רעש האדמה, ותנודה חריגה במיוחד נרשמה 8 ימים לפני הרעש, בדיוק ביום שבו נעלמו כל בעלי החיים מהאזור הנצפה.
   
לפי הגאופיזיקאים - התנודות וההתנגשויות בין לוחות טקטוניים, אלו שקודמות לרעשי האדמה ומחוללות אותן, מייצרות לחצים וכוחות חיכוך עצומים, ואלו מצידם גורמים להיווצרות ענן של מטענים חשמליים בתצורה של "חורים חיוביים". המטענים הללו נודדים ומתפשטים לכל גובה הסלעים עד הגיעם אל פני הקרקע. כתוצאה מכך נוצר שדה חשמלי חיובי גדול בשכבת האוויר הסמוכה לקרקע.

בעלי החיים שוכני הקרקע חשים בשינוי הפיזיקאלי הסביבתי דרך ההשפעות הפיזיולוגיות שתוארו לעיל ומגיבים בהתאם.
כיום, הכפר הגלובלי, יכול לקבל ממערכת הניטור העולמית הקיימת EWS (Early Warning System)  התראות מיידיות שנמדדות רק בשניות ובדקות. האם ניתן לחקות את אמצעי החישה של בעלי החיים ולאפשר התראה בת שבועיים שלושה לפני רעש אדמה בעוצמה גבוהה?

מדענים מסוכנות החלל האמריקאית NASA, בראשות ד"ר פרידמן פרוינד, קבעו 12 סימנים מובהקים ברי מדידה שעשויים לשמש כקבוצת מדדים משולבים לחיזוי רעשי אדמה בטווחים של שעות, ימים ושבועות. המיזם מוגדר על ידם כלא פחות ממהפכני. התנהגות החיות תופשת מקום של כבוד ברשימה, יחד עם עלייה חדה בריכוז יונים חיוביים באוויר, שנמדד ע"י לוויינים בחלל, ועם שינוי חריף בפוטנציאל החשמלי ובמוליכות החשמלית של הקרקע, שנמדדים בתחנות קרקע. חשוב להזכיר ולזכור שהחיות היו שם קודם, והגיבו לאותם סימנים כבר לפני עידן ועידנים.

אוסף 12 הסימנים נדון בהרחבה במסמך מכונן של מוסד המחקר "גאוקוסמו" קליפורניה, בסוף 2014. מוסד מחקר זה מפיץ גם מצגת אי יציבות טקטונית ורעשי אדמה שמתמקדת באזור הים התיכון ובמדינות השוכנות לחופיו, כולל השבר הסורי אפריקאי לאורך הגבול המזרחי של ישראל.

מוקדש בהערכה והוקרה למשלחת החילוץ והסיוע הישראלית בנפאל.

זרוע התמנון בשרות הרפואה

מאת: דפנה חיים-לנגפורד

לפני כעשר שנים, החל בפנטגון פרויקט ליצירת תמנון שלם בעל שמונה זרועות אשר מסוגל למחוץ, להחזיק ולקחת עצמים בעדינות ובגמישות בדומה לזרועות התמנון האמתי. מהנדסים וביולוגים ממספר מכונים בעולם ניסו לבנות חלקים שונים בפרויקט, אך תמנון שלם טרם הושלם.

בחלוף השנים, חוקרים מאיטליה, שהיו מעורבים בפרויקט המקורי, הצליחו לפתח זרוע אחת מתוך השמונה, ה Octo-Bot, שיכולה להימתח, להתכווץ, להרים ולהחזיק לא סתם עצמים אלא אפילו איברי גוף עדינים מבלי לפגוע בהם. המהנדסים מאחורי הזרוע הרובוטית, טוענים שהפיתוח יוכל לשמש במהלך ניתוחים ויחליף את כלי המתכת בהם משתמשים היום. בהשראת זרוע התמנון, הזרוע הרובוטית גמישה מאוד בסביבת האיברים בניתוח, אך בהגיעה לאיבר המטרה, מתקשה ויכולה לבצע את הפעולה הכירורגית הנדרשת. החוקרים מאמינים שהמכשיר יכול לצמצם את כמות הכלים הדרושים בניתוח ובכך להקטין את גודל החתך הניתוחי. בנוסף, לטענת החוקרים, לגמישות והרכות של המכשיר יש יתרון בשמירה על איברים פנימיים על פני כלי הניתוח המתכתיים הקיימים היום.

 

גוף התמנון אינו נוקשה, ולכן הוא יכול להתאים את צורת גופו לסביבה. זרוע התמנון, בעלת יכולת התארכות והתקצרות, יכולת תנועה לכל הכיוונים ויכולת ליצור מפרקים בכל נקודה נתונה לאורך הזרוע ולאפשר לזרוע לתפוס טרף. בדומה לזרוע התמנון, גם הזרוע הרובוטית גמישה ורכה כל עוד היא בדרכה לאיבר המטרה. עם הגיעה לאיבר המטרה בגוף, ניתן להקשות אותה בכל נקודה נתונה ליצירת מפרק לצורך ביצוע פעולה כירורגית ובכך לצמצם את החתך הניתוחי.
המכשיר שפותח בנוי שלושה סלילי סיליקון בעלי יכולת התרחבות ותנועה אחד כלפי השני. כל סליל מכיל ממברנה מלאה בחומר גרגירי השמור בואקום. כאשר בקרה פנאומטית מאפשרת שחרור אויר לתוך הממברנה לצורך יצירת מבנה רך וגמיש והוצאת אויר משמשת לצמצום הנפח הזמין לחומר הגרגירי וליצירת מבנה נוקשה בדמות מפרק לכיפוף הזרוע בכיוון הרצוי.
מבדיקות שנערכו על הזרוע הרובוטית נמצא כי יכולת הכיפוף מגיעה ל 255 מעלות והזרוע יכולה להתארך ב 62%. בנוסף, רמת הקשיחות המכנית של הזרוע נעה מ 60% ל 200%.