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.

נמלים בשירות מחלקת התפעול

אינטיליגנציית הנחיל (Swarm Intelligence), הוא תחום ביומימטי מפתיע, המתאר פיתוחים טכנולוגיים בתחומים שונים בהשראת חרקים. כיום רבים והולכים פיתוחים מבוססי אינטליגנציית הנחיל: עיבוד תמונה בהשראת להקות ציפורים, ויסות טמפרטורה בהשראת טרמיטים, פרוטוקולי תקשורת טלפוניה בהשראת שיחור מזון בנמלים ועוד. אבל גם לתהליכי תפעול שונים, כמו איסוף סחורות במחסנים, נמצא פתרון יעיל בהשראת אינטיליגנציית הנחיל של הנמלים.
במכון Fraunhofer ללוגיסטיקה בדורטמונד, גרמניה, פיתחו מערכת היסעיות ללא נהג, המבוססת על אינטליגנציית הנחיל, ואשר מטרתה לשפר את זרימת החומרים והסחורות במחסנים. החוקרים יצרו דגם מוקטן של מחסן סחורות, בגודל של כ- 1,000 מ"ר, עם מדפים, סחורות ועמדות לאיסוף הזמנות.

לב המחקר הוא נחיל של 50 היסעיות עצמוניות (ללא נהג), שמטרתן לבצע את כל המשימות הדרושות, מאיסוף מהמדף ועד לעמדת איסוף הסחורה. על מנת שההיסעיות תבצענה את משימת איסוף הסחורה באופן מדויק, כלומר היסעית אחת תאסוף את הפריט הדרוש מהמדף הנכון ביעילות מרבית, מבוקרות ההיסעיות באופן מקומי, וה"אינטליגנציה" מצויה בהיסעית עצמה. המערכת מושתתת על תוכנה שפותחה בהשראת תהליך שיחור מזון של נמלים מעבודתו של Marco Doirgo. כשמתקבלת פקודה, ההיסעיות מקבלות את המידע, ומתאמות ביניהן מי תאסוף את הפריט דרך תקשורת WLAN. המשימה עוברת להיסעית הפנויה הקרובה ביותר.
הסעית. התמונה באדיבות TheDematic Group
ההיסעיות אינן מעוכבות, מכיוון שהן מנווטות בחלל ללא כללים ו"דרכים". ההיסעית מאובזרת במערכת חיישניים וסורקי לייזר המאפשרים את מיקומה במרחב, חיישני מרחק, חיישנים למניעת התנגשות וכן יכולת חישוב של המסלול המהיר ביותר.

יתרונותיה של המערכת על פני תהליכי האיסוף הקיימים היום הם בדיוק הרב, בפוטנציאל לצמצום נתיבי התנועה, וכן בגמישות הרבה שהיא מאפשרת ובהתאמה לתנודתיות הדרישות בעונות השונות ובמהלך יום העבודה.
למקור הידיעה ומידע נוסף

הפלסטיק המדמם

מאת: לירון דן

פלסטיק חדש בעל יכולות ריפוי עצמיות, בדומה לעור האנושי, עשוי לקדם פיתוח של חומרים מקיימים ועמידים יותר.
בחודש האחרון הוצג לראשונה פלסטיק חדש שמדמם ומחלים בדומה לעור אנושי.  פלסטיק מיוחד זה הופך את צבעו לאדום כאשר נפגע, ו"מחלים" מהפגיעה כתוצאה מחשיפה לאור השמש או בתגובה לשינוי טמפרטורה. הפלסטיק משתקם, הצבע האדום נעלם והפלסטיק חוזר לצבעו המקורי בהדרגה בתהליך ההחלמה.

עוד בשנת 2009 היה צוותו של פרופסור מארק ו. אורבן מאוניברסיטת דרום מיסיסיפי הראשון לפרסם מסמך, המתאר מערכת פולימרים פגומה שמסוגלת לשקם עצמה כתוצאה מחשיפה לקרני UV. המחקר האחרון שפורסם הוא הרחבה ושידרוג של המחקרים שקדמו לו.
תמונה באדיבות פרופסור מארק ו. אורבן Courtesy:  Prof. Dr. M.W.Urban
הצוות חקר מערכות ביולוגיות טבעיות שיש ביכולתן לשקם עצמן, כמו רשת קורי העכביש, והתאים את המנגנון לעולם הפולימרים הסינתטיים. הפלסטיק המדובר מורכב מ"גשרים מולקולרים" אשר מתחברים אחד לשני, אך לאחר פגיעה מכאנית, אשר גורמת לניתוקם, הם מסוגלים למלא בחזרה את החללים הפגומים.
כיום, עובד הצוות על סממנים נוספים בנוסף לשינוי צבע, והקשורים ביכולת החלמה עצמית (Self-Healing). החומר המפותח נמצא בבדיקה מול חברות מסחריות שונות, והוא מיועד להגיע לייצור מוצרים כבר בשנים הקרובות.

התופעה המהפכנית תקדם פיתוח חומרים מקיימים יותר, על-ידי כך שחומרים יחזיקו מעמד לאורך זמן רב יותר, נראותם תהיה טובה יותר והם יחסכו אנרגיה בזכות יכולת השיקום שלהם והיתירות בייצור נוסף.
קיימים יישומים רבים לחומר בעל תכונות ריפוי עצמי בתעשיית הרכב, התעופה, הקוסמטיקה, הביו-רפואה, טכנולוגיות מחשוב, טלפוניה ואפילו גאדג'טים.

כנפיים סולאריות

מאת: יעל הלפמן כהן

מדענים מסין חיקו את מבנה כנפי הפרפרים, ובנו מערכת סולארית היעילה פי שתיים בקליטת אור, בהשוואה למערכות סולאריות קונבנציונאליות. המחקר יכול לסלול דרך לייצור פאנלים סולאריים המייצרים יותר אנרגיה לשטח נתון.

מערכות סולאריות הן אחד האמצעים הנפוצים כיום להפקת אנרגיה סולארית מאור השמש. מאמצים רבים מושקעים כיום במחקר ובפיתוח של פתרונות להגדלת היעילות של קליטת אנרגית השמש, המהווה מקור זמין ומתחדש של אנרגיה.
כבר דיווחנו בעבר על פיתוח עלים מלאכותיים, המבוססים על חיקוי תהליכי הפוטוסינתזה לייצור חשמל, ועל ניסיון להעלות את היעילות של הפקת אנרגית השמש באמצעות מבנים המחקים, למשל, את מבנה פרח החמנייה. מסתבר שכנפי הפרפר יכולות להציע דרך נוספת להגדלת היעילות של קליטת אנרגית השמש.

מהנדסי חומרים מאוניברסיטת Jiao Tong בשנחאי, חקרו את מבנה כנפי הפרפרים במטרה למצוא דרכים לבניית מערכת סולארית יעילה יותר. תוצאות מחקרם פורסמו לאחרונה בוועידה השנתית של ה- American Chemical Society.
לכנפי הפרפרים פוטנציאל גבוה לקלוט את אור השמש. תכונה זו מאפשרת לפרפרים להתחמם במהירות בבקרים קרירים. יכולת זו לקליטת אור היא נגזרת של מבנה מורכב.
התמונה באדיבות Glimmer721
החוקרים ביצעו מחקר ביומימטי קלאסי, והתבוננו בשני סוגים של כנפיים שחורות של פרפרים, כנפיים הקולטות חום בצורה הטובה ביותר. הם זיהו בכנפיים קשקשים מאורכים, המרובדים בשכבות במבנה דמוי רעפים של גג. הקשקשים מכילים חריצים, ובסופם חורים קטנים המתעלים את האור לעבר הקשקשים בשכבה שמתחת.  מבנה זה ממקסם את פוטנציאל איסוף האור עד כדי הכפלתו יחסית למבנה שטוח.
המדענים בנו מודל של הכנף כדי לבחון את יעילותו. המודל נבנה מדו תחמוצת הטיטניום, שמתפקד כזרז בתהליך שבירת מולקולת מים עם החשיפה לאור. הממצאים הראו הכפלה ביצור מימן במבנה המבוסס על כנף הפרפר (מבנה שכבות הקשקשים), בהשוואה למשטח שטוח. תוצאות מבטיחות אלה עשויות לסלול דרך לפיתוח מערכות סולאריות תלת ממדיות, שיקלטו אור בדרכים מורכבות יותר - יחסית למערכות סולאריות קונבנציונאליות ושטוחות.

למקור הידיעה

חדש(נ)ות מהטבע מרץ 2012

קוראים יקרים,

ידיעון חדש(נ)ות מהטבע חוגג שנתיים ועשרות אלפי קוראים! אנו שמחים להנגיש לכם מדי חודש את הפיתוחים האחרונים בהשראת הטבע בתקווה לעודד פיתוחים ביומימטיים בישראל.
בכנס "סביבה 2050" האחרון, מנכ"ל ארגון הביומימיקרי הישראלי, יעל הלפמן כהן, סיפרה על עבודת הדוקטורט שלה בתחום הביומימיקרי, על מחקרה בתחום ניתן לקרוא גם בכתבה שהתפרסמה ב NRG.

בגליון זה נמשיך בסדרה מאת מאיה גבעון בנושא קבלת החלטות בעולם החי, נספר על פיתוח רפואי ביומימטי, מערכות יעילות אנרגטית, ניסיונות ביומימטים להפריח את השממה ולקראת עונת הרחצה – מה ניתן ללמוד מהמדוזה.
קוראים המעוניינים לקבל מידע שוטף מוזמנים להצטרף לדף הפייסבוק של ארגון הביומימיקרי, ולקרוא בו ידיעות נוספות על פיתוחים אחרונים בהשראת הטבע, ועל פעילות הארגון. כמו כן, להרשמה לקבלת חדשנות מהטבע ישירות לתיבת הדואר: הרשמה לידיעון.

בברכת קריאה מהנה וחג חרות שמח,
צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי.

קבלת החלטות חלק ב'

מאת: מאיה גבעון

בחודש שעבר סיפרנו על קבלת החלטות משותפת בקרב דבורים, המגיעות להסכמה - אם לא בקונצנזוס לפחות באופן שיתופי ודמוקרטי - לגבי מקום חדש מתאים להקמת כוורת. עולם החרקים מספק דוגמאות רבות ומרתקות לאופן שבו מתקבלות החלטות בקבוצות גדולות, במיוחד כשמדובר בהחלטות הרות גורל, האמורות להתקבל תוך זמן קצר ובתנאי חוסר וודאות – אתגר שגם חברות אנושיות "מתקדמות" מתקשות לעמוד בו.
תנאים אלה מאפיינים זירות שיש בהן התמודדות ראשונית עם אסונות שונים. לאחר פיגוע טרור או אסון טבע (רעידת אדמה, צונאמי וכדומה), גם בחברות מתורגלות ביותר, נוצרים תנאים קשים של בילבול, מחסור במידע, מידע סותר, מחסור במשאבים, לחץ זמן וצורך בתגובה מהירה ומאורגנת על מנת לאפשר הצלת חיי אדם. למרבה הצער, תחקירים רבים שנעשו על התמודדות כוחות הצלה בזירות אסון, מראים כי תפקוד הכוחות נפגע באופן משמעותי כתוצאה מקשיים בשיתוף פעולה ביניהם ברגע האמת. הכוחות בשטח לרוב מורכבים מיחידות שונות שאינן פועלות יחד בשגרה, ולמרות שקיימים בידיהם אמצעים טכנולוגיים המאפשרים תקשורת ביניהם, (בשעה שרשתות התקשורת הרגילות קורסות בדרך כלל), מתאפיינת התקשורת בחוסר אמון, הפוגע באופן משמעותי ביכולתם של הכוחות לעבוד יחד באופן אפקטיבי.

זה היה האתגר שניצב בפני צוות חוקרים מאוניברסיטת אילינוי, והם פיתחו תוכנה, שמטרתה לסייע לכוחות פינוי והצלה בקו הראשון לשפר את שיתוף הפעולה ביניהם על ידי הגברת האמון בתקשורת ביניהם. המודל הביומימטי שהיווה את ההכוונה לפיתוח המודל הממוחשב היה קבלת החלטות במושבת נמלים.
התמונה באדיבות Steve Jurvetson
חרקים רבים החיים במושבות חיים במבנה מאורגן, שנדמה כאילו הוא נשלט באופן ריכוזי, אך למעשה הוא מבוזר לחלוטין, ואין בו מנהיג ברור. גם "המלכה" (כינוי שהוענק כמובן מתוך נקודת מבט אנושית, ויכול באותה מידה להיות "האימא" או "המטילה"), היא למעשה פרט בודד במושבה, פרט שבאחריותו המשך השושלת, אך אין לו כמעט שום תפקיד אחר.

כיצד "יודעות" הנמלים הפועלות מהן המשימות שצריכות להתבצע בכל רגע, וכיצד הן מחלקות את העבודה ביניהן בצורה כל-כך יעילה? מחקרים רבים מוקדשים לאופן ההתנהלות ולקבלת ההחלטות בקני נמלים, הן לגבי חלוקת העבודה והן לגבי התהליך היעיל של מציאת המזון והובלתו אל הקן. מתברר שנמלים פועלות על סמך מידע נקודתי מקומי, וכל נמלה מקבלת החלטה באופן עצמאי על פי חוקיות פשוטה.
על מנת לתקשר, מפרישות נמלים פרומון ספציפי, שתפקידו ליידע את הנמלים האחרות. לא כל הנמלים מגיבות לפרומון זה באופן זהה. כל נמלה בוחרת אם להגיב לפרומון על ידי אימוץ דפוס התנהגות מסוים והפרשת פרומון זהה כדי להגביר את האות, או להתעלם ממנו. החלטה זו מוטה על פי ריכוז הפרומון אליו נחשפה הנמלה, ובסף רגישות משתנה. המודל המוצע עבור כוחות הצלה מתייחס לכוחות הפועלים בשטח כאל סנסורים, שאמינות המידע שהם מעבירים גדל ככל שגובר שיתוף הפעולה ביניהם. כל אחד יכול מהם יכול לבחור אם לפעול על פי המידע המגיע אליו ובכך להגביר את אמינותו - או לדחות אותו. התוכנה שפותחה מבקשת לשקף את האמון הנבנה בין הכוחות במטרה להגביר אותו, ובכך לסייע להם לשתף פעולה בזמן חירום.

התנהגות מושבת חרקים דומה להתנהלות של רשתות מחשבים ללא מרכז יחיד או ללא ידע כללי על כלל הרשת. כל "פרט" בקבוצה יכול לבחור בחירה פשוטה (בינארית) בלבד, אך המורכבות בהתנהגות מושבת נמלים (כמו גם בחברות של חרקים חברתיים אחרים), מתגלה ברמת הקבוצה: סיכום מכלול ההחלטות הפשוטות של הפרטים יוצר התנהגות מורכבת ברמת הקבוצה. כלל זה זכה לכינוי "אינטליגנצית הנחיל" (swarm intelligence), והוא מהווה בסיס לאלגוריתמים רבים המשמשים, בין היתר, לייעול שינוע המטענים של חברות תעופה, לאלגוריתם תקשורת ואף לאיסוף הזמנות של לקוחות במחסני סחורות.
מקור הידיעה