אורגניזם החודש – הרואה ואינו נראה

מאת: מאיה גבעון

בעלי חיים רבים פיתחו יכולות הסוואה מרשימות כדי להגן על עצמם מפני טורפים. הגדילו לעשות דגי הים הפתוח, לרוב אלה החיים בלהקות, כמו ההרינג והסרדינים, המסוגלים להחזיר אור מגופם הכסוף וכך לבלבל את טורפיהם, המתקשים לאתר אותם בין הנצנוצים המוחזרים מפני המים. לאחרונה התברר שהתכונה הזו מופלאה עוד יותר משחשבנו: היא לא רק מונעת מהטורף להתמקד בטרף, אלא מעלימה אותו כמעט לחלוטין מעיניו.

התופעה מתאפשרת הודות למבנה החיצוני של קשקשי הדג, שגורם לקרני האור הפוגעות בהם לחזור באופן מקוטב. קיטוב אור מתרחש כאשר כל האור הפוגע בעצם כלשהו מוחזר כשהוא באותו מישור. קיטוב האור המוחזר מעצם מסוים מפחית באופן משמעותי את כמות האור המוחזרת ממנו, ומקשה על האבחנה בו.

 ידוע כי תכונת קיטוב האור מדגי ים כסופים מתאפשרת בזכות קריסטלים של תרכובת הנפוצה בגרעין התא, בסיס חנקני בשם גואנין, המתגבש בעורם של הדגים. צוות חוקרים מאוניברסיטת בריסטול, החוקר את התכונות הביולוגיות שמעניקות לדגים כסופים את יכולתם לחמוק מעיני הטורפים, פרסם לאחרונה מחקר, ששינה את התפיסה הרווחת לגבי אופן פעולת המנגנון. מסתבר, כי למעשה קיימות שתי שכבות של קריסטלי גואנין על שטח הפנים של הדג, ושילוב ההשפעה של שתי השכבות גורם לא רק לקיטוב האור המוחזר מהן, אלא שומר גם על רמת החזר גבוהה מגוף הדג. השילוב הייחודי הזה, בין קיטוב והגברת ההחזר, יוצר אשליה אופטית, שמגבירה את החזר האור מהדגים הכסופים בכל הזוויות, והופכת אותם לבלתי נראים בתנאים מסוימים של תאורה.  

אילו יישומים ניתן לשפר בעזרת המידע החדש מהדגים? כיום קיימים עזרים אופטיים שונים להפוך אור למקוטב, בהם משקפיים ועדשות שונות, פנסי LED, סיבים אופטיים ואמצעי ביטחוניים שונים להסוואה ולאיתור. החומרים המאפשרים את הקיטוב אינם אידיאליים מבחינת השפעתם על הסביבה, והם מיוצרים בתהליכים הכוללים, לעיתים, חומרים שאינם מומלצים לבריאות. המנגנון שיש לדגים עוקף את החסרונות האלה, שכן הוא נוצר בתוך אורגניזם חי ואינו כולל חומרי לוואי בלתי מתפרקים. יתכן שההבנה של החומרים ושל המנגנון יספקו לנו דרך חדשה ומקיימת יותר להשגת האפקט הנחשק של שליטה באשליות אופטיות. 

מקור הידיעה

דבורה רובוט

מאת: זיו כהני

כבר ברשימות קודמות, ראינו שגופי מחקר רבים מפתחים רובוטים (בעיקר לשימושים צבאיים וביטחוניים), המחקים חרקים שונים. באוניברסיטת שפילד שבבריטניה כבר עברו לרובד הבא של מחקר טכנולוגי של החרקים, ומפתחים תוכנה שמחקה את מוח הדבורה.

התוכנה מתמקדת בחוש הראיה ובחוש הריח של הדבורים. בדרך זו רוצים החוקרים להשיג את החיקוי הקרוב ביותר לתנועת הדבורים האמיתית, ולהטמיע את ה"חושים" ברובוטים הקיימים היום, המבוססים בעיקר על הביו-מכניקה של הדבורים.
החוקרים טוענים שהרובוט ידע לפתור בדרך זו בעיות מורכבות יותר, כאלה שהרובוטים הקיימים כיום אינם מסוגלים לפתור. דוגמה לאינטגרציה כזו היא גילוי דליפת גז על ידי שימוש במכלול של חוש הריח ויכולת התנועה המכאנית של הדבורים. ה"דבורובוט" ימצא, למעשה, את הדליפה בצורה אוטומטית, בלי שנכוון אותו למקום מסוים. השאיפה היא שהרובוט יוכל גם "לצבור ניסיון וידע", וישתפר ככל שיבצע יותר פעילות.
לצורך חיקוי מוח הדבורה נעשה שימוש בחומרה היי-טקית ברמה גבוהה, כולל מעבדים גרפיים, רכיבי עיבוד תמונה תלת-מימדית ועוד. לאור שימוש בחומרה שכזו, ברור כבר עכשיו לחוקרים שעל אף שמוח הדבורה נחשב פשוט יחסית, החוקרים יצטרכו, על מנת לעבד את כל הנתונים בזמן אמת, לעשות שימוש במחשב סופר-מתקדם.

תהליך נועד לייצר תובנות משמעותיות מתחום האינטיליגנציה המלאכותית, כאשר אחת השאלות הגדולות מבחינת המחקר היא מה מניע ומה קובע את ניווט הדבורה בסביבה. ניווט זה קובע, למשל, את תהליך ההאבקה הטבעי שמבצעות הדבורות בטבע עבור פרחים.
התוכנה אמורה להיות מוטמעת ברובוט מכני המחקה דבורה, שפותח באוניברסיטת הארוורד, וכך ליצור את "הדבורה המלאכותית" השלמה.
עכשיו אנחנו צריכים רק לברר מי ישמור על זכויות הדבורים, כשהן יפגינו לאחר שיגלו כי רובוטים מחליפים אותן....

למקור הידיעה


 

עקרונות תכנוניים בטבע ובאדריכלות

מאת: יעל הלפמן כהן

העברת ידע מהטבע לאדריכלות מתאפשרת בזכות הדמיון בין תהליך התכנון האדריכלי והתהליך האבולוציוני. ההבדל בין התהליכים מעיד על הפוטנציאל הגלום בלמידה בינתחומית זו. חסמים טכנולוגיים שנפתרו בשנים האחרונות מאפשרים יישום עקרונות תכנוניים מהטבע בתחום האדריכלות.

תהליך התכנון האדריכלי ותהליך האבולוציה בטבע דומים במספר היבטים. כך, למשל, שניהם תהליכים לא דטרמיניסטיים מאחר וקריטריוני ההערכה ומטרות הפיתוח של תהליכים אלה משתנים, ומותאמים במהלך התהליך. נקודת דמיון נוספת היא השאיפה לתת ביטוי למספר פרמטרים, שלעיתים סותרים זה את זה, ולא להתמקד באופטימיזציה של פונקציה ספציפית (מטרה המאפיינת תכנון הנדסי). האופטימיזציה אפשרית בארכיטקטורה רק עם כמה פרמטרים טכניים או כלכליים (למשל אופטימיזציה של צריכת אנרגיה או חומר), אך היא אינה מאפשרת הערכה של תכונות כמו אסתטיקה או מרחב האיכויות העירוניות, שהן חיוניות לא פחות לארכיטקטורה מקיימת ומוצלחת. בטבע התאימו אורגניזמים עצמם, במהלך האבולוציה, באמצעות ברירה טבעית והתאמה לדרישות המשתנות של הסביבה. התוצאות הן פשרה במענה לדרישות סותרות, בניגוד לאופטימיזציה של פרמטר ספציפי. לאור ההיבטים המשותפים בין תהליכי התכנון האדריכלי והתכנון בטבע, נשאלת השאלה כיצד יכול תחום הביומימיקרי לספק תובנות חדשות לשדה הארכיטקטורה. בנושא זה עוסק מחקרם של Knippers & Speck , שפורסם השנה בירחון האקדמי Bioinspiration & Biomimetics.

לצד הדמיון בין תהליכי התכנון האדריכליים ותהליכי התכנון בטבע, קיימים גם הבדלים בסיסיים. כך למשל, מבוססת החדשנות האבולוציונית על מבנים ועל הפונקציות הרלוונטיות שלהם. כל מבנה מורכב מתת מבנים הבנויים מרכיבים דומים, ולכן במובן זה לא ניתן להפריד בין חומר למבנה. בארכיטקטורה, לעומת זאת, פונקציות שונות, כמו: מעטפה תרמית, הפרדה מרחבית, שירותי המבנה והעברת עומס, מוקצות לרכיבים שונים. הצורה הגיאומטרית לא תמיד קשורה לגיאומטריה של המבנה, בעיקר כאשר המניע התכנוני הוא אסתטי. בטבע, תומכות אבני הבניין הבסיסיות במבנה וגם נושאות חומרים המעוררים תגובות כימיות וסיגנלים מולקולאריים. ניתוח המבנים הטבעיים מראה, מנקודת מבט הנדסית, שהם מורכבים ממספר קטן יחסית של פולימרים (פרוטאנים, פוליסכרידים, שומנים, חומצות גרעין ועוד). תאים בודדים יוצרים רקמות, ואלה יוצרות איברים בעלי פונקציות שונות.

מבנים טבעיים לרוב אינם איזוטרופיים (תלויי כיוון), אך לעיתים הם מורכבים מסיבים כמו צלוליט או קולגן, שלהם תכונות תלויות כיוון. התכונות השונות של המבנים מושגות על ידי צורות אריזה ווקטורי כיוון משתנים של הסיבים. להטרוגניות כימית ומבנית תפקיד מהותי בהתאמה המקומית. מבנים טבעיים מורכבים ממספר רכיבים מצומצם המשתנים גיאומטרית, פיסית וכימית, בניגוד למבנים אדריכליים המורכבים מחומרים שונים ומרכיבים פונקציונאליים שונים (פלדה לשלד, זכוכית למעטפת וכדומה). לאור הבדלים אלה נשאלת השאלה האם יכולים הצורה המורפולוגית ועקרונות הפונקציה בטבע לשמש מקור ידע והשראה לתכנון מבנים ארכיטקטוניים יעילים.

כותבי המאמר זיהו מספר עקרונות תכנוניים המאפיינים מבנים טבעיים, אשר טרם יושמו בארכיטקטורה. יישום עקרונות אלה יכול לקדם חדשנות מקיימת במבנים אדריכליים:

• הטרוגניות - מבנים טבעיים מאופיינים בשונות גיאומטרית של הרכיבים שלהם, ובהתאמה מקומית של התכונות הפיסיות או הכימיות שלהם.

• אניזוטרפיה (תכונות תלויות כיוון) - מבנים טבעיים רבים מורכבים מחומרים מורכבים ברמת הסיבים, המבוססים על סיבים אנזיטרופיים.

• היררכיה - מבנים ביולוגיים מאופיינים ברמה גבוהה של היררכיה, מרמת הננו לרמת המקרו. בכל רמה רכיבים מוליקולריים דומים. במבנים ארכיטקטוניים יש מעט התייחסות לנושא ההיררכיה, ומושג של היררכיה טרם נחקר וטרם מומש.

• רב תפקודיות - סיבים בוטניים, למשל, משמשים גם למטרות מכאניות וגם לפונקציות פיסיולוגיות. בארכיטקטורה לא מוכרתטקסטורה אחידה שיש לה מספר פונקציות.

נראה, שאחד החסמים למימוש הפוטנציאל הגלום במימוש העקרונות האלה בשדה האדריכלי היה חסם טכנולוגי. חסם זה נפתח בשנים האחרונות, עם התפתחות יכולות למידול דיגיטלי ויכולות של תהליכי תכנון וייצור מתקדמים, המאפשרים נגישות למודלים ביולוגיים. טכנולוגיות תכנון אלה מאפשרות רמה גבוהה יותר של שונות גיאומטרית, והעברה של המורפולוגיה הטבעית לארכיטקטורה.

למקור הידיעה

חדש(נ)ות מהטבע אוקטובר 2012

קוראים יקרים שלום ,

תחום הביומימיקרי מתפתח כדיסציפלינה, ומחלחל גם לתחומים האקדמיים בעולם ובישראל.

החודש, בוועידה השנתית של הנדסה מכאנית באוניברסיטת תל אביב (ICME 2012), התקיים מושב ביומימטי שבמסגרתו הוצגו מחקרים ביומימטיים שונים של קבוצות מחקר מישראל, ביניהם המחקר על מנגנון הקפיצה של הנתוזית, שכבר הוצג בידיעון זה בעבר . על פרויקט מידול תנועת הזחל באמצעות מבני טנסגריטי שהוצג אף הוא במושב, תוכלו לקרוא בהרחבה בגיליון זה.

עוד בחרנו להרחיב החודש על פיתוח מערכות פוטו-וולטאיות המצוידות במנגנון עקיבה המחקה את תופעת ההליאוטרופיזם, על טורבינות רוח בהשראת דינוזאורים (!), על מבנים ייחודיים ומקיימים בהשראת הטבע, ועל מקומו של תחום הביומומיקרי בתכנון המקיים.

בברכת קריאה מעשירה ומהנה,

צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי

מידול תנועת זחל באמצעות מבני טנסגריטי

מאת: יעל הלפמן כהן

מודל חדשני של תנועת זחל, המבוסס על מבנה טנסגריטי, פורסם לאחרונה על ידי קבוצת חוקרים ישראלית בירחון האקדמי Biomimetics & Bionspiration.

שיתוף פעולה בין המהנדסים, הפרופ' עופר שי והדוקטורנט עומר עורקי מבית הספר להנדסה מכאנית באוניברסיטת תל אביב, וד"ר אורי בן חנן ממכללת אורט בראודה לפרופ' אמיר איילי מהמחלקה לזואולוגיה באוניברסיטת תל אביב, הניב מודל חדש של תנועת זחל, שאמנם נבנה בהשראת תנועת הזחל הביולוגי ומהווה מקור השראה לשיפור תנועת רובוטים, אך גם מצליח לספק תובנות חדשות לגבי תנועת הזחל.
תנועת הזחלים איטית וגופם רך, אך הם מדגימים צורת התקדמות יעילה וניידות מצוינת על משטחים קשים. הזחלים הם בעלי שלד הידרוסטאטי, המורכב ממערכת של שרירים המפעילים לחץ על הנוזל הפנימי של הזחל (ולא על עצמות כמו בשלד קשיח). במערכת זו, כל שריר שמתכווץ משפיע על כל השרירים האחרים (אם על ידי שינוי במתח שלהם ואם על ידי שינוי באורכם). לזחל מערכת שרירים מורכבת. בכל אחד מהפרקים של הזחל יש כ- 70 שרירים בודדים, כאשר לאורך הזחל, בין המקטעים השונים, מצויים שני שרירי אורך מרכזיים.
התנועה הבסיסית של הזחלים נוצרת כתוצאה מגל של כיווצי שרירים, המתחיל בקצה האחורי של הזחל ונע קדימה. בעבר נעשו ניסיונות למדל את תנועת הזחילה, אך רוב הניסיונות נעשה תוך שימוש באלמנטים קשיחים, המנוגדים לטבעו הרך של גוף הזחל.
המחקר הנוכחי מציע לתנועת הזחל מודל, שבו השליטה על רמת הרכות מושגת באמצעות שילוב חדשני של מבנה טנסגריטי בטופולוגיה ייחודית, הנקראת Assur tensegrity. מבנה טנסגריטי הוא מבנה המורכב משתי סדרות של אלמנטים: סדרת אלמנטים הנמצאים תמיד תחת עומסי לחיצה, וסדרת אלמנטים הנמצאים תמיד תחת עומסי מתיחה. כוחות המתיחה והלחיצה מאוזנים, כך שמבנה הטנסגריטי הוא יציב וסטטי.

                                  מבנה טנסגריטי מאת Bob Burkhardt

שימוש בעקרונות הטנסגרירטי נפוץ בטבע, וניתן לראותו במערכות ביולוגיות בקנה מידה שונה, כגון במערכת השלד המחוברת לשרירים ולגידים. למרות שמבני טנסגריטי הם סטטיים בדרך כלל, ניתן ליישמם בתנועה רובוטית. התנועה מושגת על ידי שינוי אורך האלמנטים במבנה, כך שצורת הרובוט משתנה. האתגר המרכזי בשינוי צורה של מבנה טנסגריטי הוא לשמור על האיזון בין הכוחות הפנימיים של האלמנטים בזמן התנועה, על מנת לשמר את היציבות המבנית.
המודל נבנה באמצעות תוכנת MATLAB, כאשר הסימולציה מתארת תנועה דו ממדית של הזחל ומבוצעת באמצעות ייצוג של כל פרק בזחל על ידי מבנה דו ממדי של Tensegrity Assur, המורכב משני כבלים ובוכנה, המחוברים בין שני מוטות. הכבלים נמצאים תחת עומסי מתיחה אנלוגיים לשני שרירי האורך המרכזיים בזחל הביולוגי, ואילו הבוכנה נמצאת תחת עומסי לחיצה אנלוגית לנוזל הפנימי של הזחל.
המודל מראה התאמה לחלק גדול מהמאפיינים הביו-מכאניים של הזחל הביולוגי. כך למשל, הלחץ הפנימי בזחל הביולוגי אינו פונקציה של גודל הזחל. במהלך גדילתו של הזחל, גופו גדל פי 10,000 אך הלחץ הפנימי נשאר זהה. באותו אופן מדגים המודל המוצע אותם כוחות לחץ, ללא תלות בגודל המודל. המודל אף מצביע על מאפיינים חדשים בנוגע לתנועת הזחל. לדוגמא, במהלך המחקר התברר כי כוחות הכבלים לא משתנים במעבר בין מנוחה לזחילה באופן משמעותי, והחוקרים מסיקים כי כמות האנרגיה שמשקיע הזחל בזחילה אינה גבוהה משמעותית מהאנרגיה המושקעת בזמן מנוחה.
המחקר הוא דוגמא מצוינת לשיתוף פעולה של בסיסי ידע הנדסיים וזואולוגיים, שמצד אחד תורמים ידע ליישומים אפשריים בתחום הרובוטיקה ולשיפור תנועת רובוטים, ומצד שני תורמים להבנה הזואולוגית של תנועת הזחל.

למאמר