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 ספטמבר 2015


קוראים יקרים שלום,
אנו שמחים לבשר כי ההרשמה ל"כנס השני לביומימיקרי – אקדמיה ותעשייה", אשר יתקיים ב- 19 בנובמבר 2015, באוניברסיטת תל אביב, תחל לאחר החגים. מידע אודות תכנית הכנס, תקצירי ההרצאות, וטופס הרישום - יפורסם בקרוב.

הזדמנות אחרונה לשנת הלימודים תשע"ו, ניתן עדיין להירשם לתוכנית השנתית לביומימקרי לבתי ספר יסודיים (כיתות ד-ו). המעוניינים לקבל מידע אודות התכנית, מוזמנים לפנות למייל: info@biomimicry.org.il
החודש נרחיב אודות תוכנת "אלמנטים סופיים", שפותחה בהשראת תהליך גידול העצמות בגוף האדם, על שיטת המזוקוזם (mesocosem) לחקר מערכות אקולוגית מורכבות, נרחיב גם על מדפסת 3D  לזכוכית, שאולי בעתיד תאפשר להתקרב עוד קצת לרמת המורכבות של הפתרונות המבניים בטבע, ועל כלי שיט לא מאויש, שינוע באמצעות סנפירים רובוטיים במקום מדחפים, בהשראת תנועתו של אריה הים.
בברכת קריאה מהנה, שנה טובה, מועדים לשמחה וגמר חתימה טובה,


צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי

בעצם זה קל...

מאת: זיו כהני

מהנדסי BOEING מסוגלים לבצע חישובים מסובכים בתכנון המטוסים בזכות תוכנת "אלמנטים סופיים", שפותחה בהשראת תהליך גידול העצמות בגוף האדם.

במשך שנים רבות היו הנוסחאות, שלרוב האנשים נראות כמו סינית עתיקה, הכלי שבעזרתו ביצעו מהנדסים חישובים שונים, כגון אלה הקשורים לחוזק חומרים ומבנים, כדי לתכנן מוצרים מורכבים, כמו מטוס, כלי רכב וכו', ביודעם שטעות בחישוב עלולה לעלות בחיי אדם.
בנוסף, מהנדסים נדרשו ללוח שרטוט ולכלי כתיבה שונים ומשונים על מנת לבצע שרטוטים ותכנונים של מוצרים מכניים פשוטים או מורכבים.
אז את לוח השירטוט וכלי הכתיבה התחילו להחליף לפני כ-20 שנה תוכנות תיב"מ (תיכנון בעזרת מחשב) דו-ממדיות ותלת-ממדיות, שאפשרו חיסכון גדול בזמן וקבלת תמונה מוחשית במהלך שלבי התכנון.
חישוב חוזק החומרים והמבנים שהוזכרו קודם, הם שקובעים למעשה באיזה חומר גלם יבחר המהנדס לייצור של חלק מסויים, ובאיזה גודל ועובי הוא יגדיר את החלק, בחירה שכמובן משפיעה על עלות המוצר הסופי, על המשקל שלו ועל פרמטרים נוספים. המהנדסים נלחמו בנוסחאות והשתמשו במקדמי ביטחון לתוצאות החישובים על מנת להבטיח את איכות המוצר שתכננו.
לפני מספר שנים צצו בשוק תוכנות שנועדו להקל על חיי המהנדסים: תוכנות "אלמנטים סופיים", תוכנות שיודעות לחשב, בצורה מדויקת ומפורטת, את העומס שכל חלק "מרגיש" כתוצאה מכוחות שמופעלים עליו, דבר שעד אז, כאמור, היו המהנדסים משיגים רק בעזרת חישובים מייגעים. תוכנות אלה מאפשרות להוריד עלויות, להפחית משקל, להגדיל יעילות ולשפר בטיחות במוצרים רבים.
   


                                         

בתמונה: בדיקת עומסים על רכב בעת תאונה באמצעות תוכנת אלמנטים סופיים.
 
ואיך כל זה קשור לעניינינו? מסתבר שאחת התוכנות החדשות בתחום זה בשוק מבוססת על עולם הביומימקרי...
נראה כי תוכנת OptiStruct של חברת ALTAIR כל כך אמינה וטובה, שאפילו חברת BOEING, יצרנית המטוסים הגדולה בעולם, עושה בה שימוש ומצליחה להגיע לתכנון אופטימלי של איכות-עלות-משקל של רכיבים רבים במטוס, החל מכנפי המטוס ועד רצפתו.
אותה תוכנה עושה שימוש באלגוריתמים בהשראת עולם הביולוגיה, כמו, למשל, אותו עץ שמגדל תאים, מעבה את הגזע שלו ומוסיף עובי וחוזק בדיוק במקום הנדרש כדי למנוע כיפוף של עצמו שנגרם בגלל רוח חזקה.
מתוך האלגוריתם הזה אפשר להסיק לגבי צורת המבנה האופטימלית, שמתאימה מאוד לעולם המדפסות התלת-ממדיות שנכנסו לעולמנו בכל תחום. אפשר להגדיר באופן מדויק את מבנה החלק בעזרת התוכנה, ולממשו בקלות,  על ידי ייצור בטכנולוגיה של הדפסה תלת ממדית.
OptiStruct פותחה למעשה על בסיס תהליך גידול העצמות בגוף האדם, כאשר למרבה הפלא, הממציא שלה, ג'ף בראנן (Jeff Brennan), כיום ממנהליה הבכירים של חברת ALTAIR, חקר בכלל מנגנונים לפתרון למחלת האוסטאופורוזיס, ומשם הגיע לאפשרות ההתאמה לתוכנה...
 

" תארו לכם עולם....."

מאת: יריב גרשטיין

שיטת המזוקוזם (mesocosem) היא שיטה ליצור מערכת מים (מלוחים, מתוקים ועוד) אקולוגית  קטנה, שמדמה מערכות אקולוגית גדולות שקימות בטבע. שיטה זו מספקת התבוננות קרובה על מערכות אקולוגית מורכבות, ומאפשרת ללמוד על מנגנונים ביולוגיים שונים ואיך הטבע פותר בעיות.

בשיטת המזוקוזם ( MESO=בינוני, COSOM=עולם ) אפשר לדמות מערכות מים אקולוגית גדולות כמו אגמים, ימים ואוקיינוסים. ע"י יצירת המערכת האקולוגית ניתן ללמוד על תהליכים כימיים, פיזיקליים וביולוגיים המתרחשים בטבע, וכיצד המערכת פותרת בעיות בדרכים אקולוגיות. מערכת מזוקוזם מאפשרת לבודד תהליכים והשפעות, ובעזרתה ניתן להבין איך הטבע מתמודד עם בעיות שונות.
בתמונה המצורפת מוצגת מערכת אקולוגית, וחלק מהגורמים המשפיעים עליה, כמו: טמפרטורה, זיהום, בעלי חיים ועוד.


                                 תמונה מאת Thompsma, תחת רישיון cc 1.0

בעזרת מערכת המזוקוזם למדו על מספר תהליכים חשובים בטבע כמו : איך הטבע מתמודד עם רמות גבוהות של אמוניה (ע"י חיידקים שמפרקים את האמוניה), למדו מה קורה עם רמות גבוהות של פחמן דו חמצני ( הפחמן הדו חמצני מסייע לגידול אצות וצמחים בכלל בצורה אינטנסיבית)  , הומצאו מודלים אקולוגים שניסו לחקות אוכלוסיות הנמצאות במערכת (השפעות של טורף נטרף, תחרות בין מינים ועוד תיאוריות שונות), ולמדו על גידולים לצורך מסחרי (דגים, אצות ועוד).
יש תחומים רבים נוספים שהתבוננות במערכות מזוקוזם הועילה להבנתם, כמו: מערכות רבות משתנים (מערכות כאוטיות) (hastings & powell 1991 ) ותחום האקאופוניקה ( גידול משולב של צמחים ודגים, מערכת מים סגורה שבה הדגים מזינים את הצמחים וצמחים מנקים את המים) ועוד תחומים רבים.
רב הנסתר על הגלוי במערכות אקולוגיות ועל כן תחום המזוקוזם יכול לתרום רבות הן להבנת תהליכים בטבע והן להבנת גורמים המשפיעים על מערכות אקולוגיות, ידע היכול לעזור לנו ללמוד איך התמודד הטבע עם בעיות שאנחנו נתקלים בהם בחיי יום יום. תחום הביומימיקרי חשוב עד מאוד ליכולת לנצל את הידע הקיים בטבע, ולתרגמו להמצאת פתרונות לבעיות שהאדם מתמודד איתם.

האם הדפסת זכוכית תלת ממדית תאפשר לייצר מבנים דינאמיים כמו בטבע?

מאת: יעל הלפמן כהן

 הטבע מציע מאגר של פתרונות תכנוניים חסכוניים, יעילים, אלגנטיים ומקיימים, אך מגבלות שונות - טכנולוגיות וייצור – עדיין מהוות חסמים לעיצוב ולייצור "בדיוק" כמו בטבע.
במעבדת המדיה ב- MIT, הציגו לאחרונה נרי אוקסמן וצוותה, בשיתוף מעבדת הזכוכית ומכון Wyss באוניברסיטת הרווארד, מדפסת 3D  לזכוכית, שאולי בעתיד תאפשר להתקרב עוד קצת לרמת המורכבות של הפתרונות המבניים בטבע. המכונה, ראשונה מסוגה, מחממת את הזכוכית ליותר מ- 1,000 מעלות צלזיוס בתנור, ואז מעצבת אותה בתהליך של שיחול (אקסטרוזיה) באמצעות העברתה דרך צינור אלומיניום. החומר הצמיג, שקוף למחצה, מטפטף עד שהוא מתקשה, במבנה דמוי צלעות. בשלב זה, מודבר על הוכחת היתכנות. התוצרים עדיין קטנים, ומוגבלים לאורך של 25 ס"מ ולגובה של 28  ס"מ אך מאידך הם מדגימים את התכונות האופטיות, את האיכות, ואת החוזק המבני של טכנולוגיית הדפסה זו.  
אם נחזור לרגע לטבע, נבין שהמטרה של טכנולוגיית יצור חדשה זו גדולה בהרבה, תרתי משמע. אוקסמן מאמינה שהדפסה בטכנולוגיה זו תאפשר בעתיד לייצר חזיתות הרבה יותר דינמיות למבנים, ואולי אף לתת מענה לשאלות רבות משמעות בעולם הארכיטקטורה:
האם נוכל לייצר מבני זכוכית עם תעלות פנימיות לאוורור ולמחזור מים?
האם נוכל להתעלות על המסורת של בידוד פונקציות לחלקים מופרדים, ולשלב את כולן במעטפת מבנה אחת?
אחד היתרונות הבולטים של הדפסת זכוכית תלת ממדית על פני יצור זכוכית מסורתי, היא היכולת לייצר משטח פנימי מורכב כמו החיצוני. בניפוח זכוכית החלק הפנימי חלק. בטכנולוגיית הדפסה הצורה והמרקם של האובייקט ברי שליטה, עד רמה גבוהה של רזולוציה.
אפשר להפליג בדמיון ולראות את ההשלכות על עולם הארכיטקטורה. מבנה עם חזית אחת בעלת מספר פונקציות, שליטה בזרימת האור, שימוש בתעלות הזכוכית להעברת מים, חומר ביולוגי ואפילו מידע, אם משתמשים בסיבים אופטיים.
בפרויקט אחר של אוקסמן, Wanderers, כבר תוכננה מערכת דינאמית עם מעטפת זרימה. אוקסמן  והצוות שלה יצרו עור לביש באמצעות צינוריות מיקרו-נוזליות המאפשרות לחומר אורגני כמו בקטריות פוטו-סינתטיות לזרום דרך הלבוש.
באופן תיאורטי, בהנחה שמגבלת הגודל תיפתר (האתגר בתהליך עבודה), מכונות הדפסה תלת ממדיות יוכלו לייצר חזית המגיבה לסביבה באופן דומה לבגד גם עבור מבנים. שקיפות של חזית כזו באמצעות הדפסת זכוכית, תוכל לסייע בתכנון עיצוב התגובה לסביבה.  
כרגע העתיד נשמע מבלבל ומעורפל, ואפשר רק לשער כיצד טכנולוגית הדפסת זכוכית שכזו תוכל לאפשר חדשנות ביומימטית בעולם הארכיטקטורה, אך ברור שזהו צעד נוסף, המקרב אותנו לייצר ולעצב מבנים כמו בטבע.

למידע נוסף
 
 

מביקור בגן החיות לפיתוח רובוטי

מאת: דפנה חיים לנגפורד

פרופ' Leftwich מאוניברסיטת ג'ורג' וושינגטון, חוקרת דינמיקה של נוזלים בהשראת מודלים ביולוגים, ביקרה בגן החיות הלאומי ב Smithson, ובעקבות ביקורה החלה במחקר יישומי לפיתוח רובוט בהשראת תנועתו של אריה הים.
יש דרכים רבות להתנועע במים. דגים רבים שוחים על ידי תנועת סנפיר הזנב לצדדים, בעוד דולפינים ולווייתנים מניעים את סנפיר הזנב מעלה ומטה על מנת להתקדם. מדוזות ודיונונים מכווצים את הזרועות כדי להתקדם ונחשי ים מניעים את כל הגוף למעלה ולמטה לייצר תנועה. אריות ים, בשונה מבעלי חיים ימיים אלו, שוחים על ידי הנעת הסנפירים הקדמיים שלהם, ולא אלו האחוריים, שחיה יעילה וכמעט ללא שובל. אריות ים הם שחיינים נפלאים, הניחנים בגמישות רבה וביכולת תמרון מצוינת, בנוסף על יכולתם לשנות את כיוון התנועה שלהם במהירות וברדיוס תנועה קטן.


                        תמונה מאת   katie chan, תחת רישיון cc 4.0
 

החוקרת, בשיתוף פעולה עם צוות גן החיות, צילמה את אריות הים בתנועה, עקבה אחר תנועות הסנפירים החינניות שלהם ותכננה סנפיר רובוטי המחקה תנועה זו. באמצעות ניתוח תמונה אחר תמונה בסרט הווידאו שצולם, עקבה אחר תנועות ארבעת הסנפירים הקדמיים, ואחר כל חלק בסנפיר בכל צורת תנועה ותמרון במהלך השחייה. נמצא כי אריות הים מניעים את הסנפירים לכיוון הגוף, והמים הכלואים במרווח שנוצר יוצרים כעין סילון, אשר מקדם את אריות הים במהירות ובשקט קדימה. בהתבסס על מיקום מפרקי הסנפיר, יצרה Leftwich זרוע רובוטית מפלסטיק, שנעה בדומה לתנועת הסנפיר של אריות הים. בכוונתה לבחון את ביצועי הזרוע הרובוטית בהשוואה לאריות ים באקווריום הלימודי בקליפורניה.
יישום אפשרי הוא בפיתוח כלי שיט לא מאוייש, שינוע באמצעות סנפירים רובוטיים במקום מדחפים, למשימות כריה תת ימיות למשל, במינימום הפרעה לחיים התת ימיים. בנוסף, מאמינה Leftwich כי תכנון זה יאפשר תנועה יעילה אנרגטית, ויאפשר טווח תנועה ארוך עם אנרגיה מעטה.

מקור הידיעה