רובו(ע)טלף

מאת: זיו כהני

תעופת העטלף מתאפיינת בתנועת כנף ייחודית, המאפשרת 50% חיסכון באנרגיה הנדרשת ליצירת כוח עילוי. עד סוף הקריאה תבינו למה ברוס וויין בחר להיות באטמן.... 

מדענים מאוניברסיטת בראון בארה"ב בנו כנף רובוטית בהשראת תנועת הכנף של עטלף הפירות. הכנף אינה עפה בכוחות עצמה, אלא נמצאת במתקן בשם 'מנהרת רוח', בו בודקים את התכונות האווירודינמיות של כנף העטלף מבחינת צורתה ויכולות תנועתה. במתקן זה בודקים את הכוחות ואת האנרגיה הנדרשים לתנועת הכנף מול עומסים אווירודינמיים.

מטרת המחקר והניסוי למצוא דרך, שבעזרתה יוכלו רובוטים לעוף על ידי תנועת כנפיים ולא בעזרת פרופלורים ותנועות סיבוביות אחרות. חיל האוויר של ארה"ב , שמימן את המחקר (בשיתוף מוסד המדע הלאומי), הבין שעל ידי חיקוי תעופת העטלף אפשר לפתח כלי טייס יעילים אנרגטית.

הכנף הרובוטית, שאורכה כ-20 ס"מ, מכילה חלקי פלסטיק (שיוצרו באמצעות מדפסת תלת-מימדית) המדמים, מבחינת צורה ותכונות, את עצמות העטלף. דימוי העור שמתוח על העצמות נעשה על ידי רצועות סיליקון ועל ידי חוטים, המדמים את גידי העטלף.

התמונה באדיבות אוניברסיטת בראון

בתהליך התנועה, מייצר נפנוף הכנף כוחות עילוי, בעזרתם מתרומם העטלף. המהנדסים שחקרו את תעופת העטלף גילו כי מבנה הכנף מאפשר לעטלף לקפל את כנפיו בתזמון מדויק, בזכותו נחסך 50% מהכוח הנדרש להפעלת כוח העילוי. עובדה זאת מעידה על יעילות גבוהה ועל חיסכון באנרגיה.

בעזרת מחקר זה הצליחו החוקרים להבין את המורכבות של תנועת כנף העטלף ואת ייחודיות כל אחד ממרכיבי הכנף - מטרת פעולת הגידים והרצועות, האלסטיות הרבה של העור, מבנה השרירים, וגמישות השלד. מהניסיונות הסיקו החוקרים לגבי המכאניקה והקינמאטיקה המאפיינת את צורת התעופה של העטלף.

יצירת דגם מלאכותי, שיעמוד בבדיקות מנהרת הרוח, דרשה ניסיונות נשנים וחוזרים בעוד העטלף עומד במבחנים אלה ללא כל בעיה.  גם כאן, כמו באינסוף מקרים נוספים, נוכחו החוקרים בחוכמת יצירת הטבע.

מקור הידיעה

רכה - קשה?

מאת: אופיר מרום

הכיתון הוא בעל חיים חסר חוליות ממערכת הרכיכות, שכדי לשרוד צריך לגדל שיניים חזקות ללא הרף. הבנת התהליך יכולה לתרום לשיפור יעילותם של פנלים סולאריים ושל סוללות ליתיום.

הכיתון (שם מדעי: Chiton) היא רכיכה ימית שטוחה ורחבה, אשר בחלקה העליון לוחות שריון ואילו בתחתיתה היא רכה ושרירית, עובדה המאפשרת לה להיצמד לסלעים. במהלך האבולוציה התאים עצמו בעל חיים זה לאכילת אצות הגדלות על משטחי סלע ובתוך חריצים. כדי לקצור את מזונו פיתח הכיתון איבר מיוחד הנקרא רדולה (radula), שהוא מבנה דמוי חגורת מסוע, שמכיל 70-80 שורות מקבילות של שיניים. במהלך האכילה, משמשות השורות הראשונות של השיניים לטחינת הסלעים כדי להגיע אל האצות. שיניים אלה נשחקות, אך הן מוחלפות בשיניים חדשות הנוצרות באופן קבוע ובקצב דומה לקצב השחיקה.

מתוך המגוון העשיר שמציעים חופיה של קליפורניה, מקום משכנה של המעבדה לביומימטיקה וננו-חומרים, מוצא פרופסור דיויד קיסאליוס (David Kisailus) השראה לבניית מבנים ננומטרים חדשים. בעבר סיפרנו כאן על ממצאיו לגבי מבנה זרועות החסילון מנטיס והשימושים האפשריים. 

בחיפושיו אחר חומרים עמידים לשחיקה בחר פרופ' קיסאליוס לחקור את האופן שבו גדלות שיניו של הכיתון. 

כיתון. התמונה באדיבות Professor Douglas Eernisse

 במאמר שהתפרסם לאחרונה, נמצא שהתהליך בו מגדל ה - gumboot chiton (זן מסוים של הכיתון) את שיניו מתרחש בשלושה שלבים אופייניים. בתחילה, מתגבשים קריסטלים של תחמוצת ברזל (מסוג hydrated iron oxide) לאורך תבנית דמוית סיבים עשויה מכיטין (סוכר מרוכב). בשלב השני משתנה מבנה הקריסטלים והופך לחומר מסוג מגנטיט. לבסוף, מתחילים חלקיקי המגנטיט לצמוח לאורך הסיבים האורגניים, עד להיווצרות מוטות מקבילים בתוך השיניים הבוגרות - דבר אשר גורם להן להיות קשות במיוחד. על-פי פרופ' קיסאליוס, אפשר להשתמש בתובנות אלה כדי לכוון את צמיחתם של המינרלים הדרושים לבניית תאים סולאריים וסוללות ליתיום. על ידי שליטה על הגודל, הצורה והכיוון של הננו-גבישים ההנדסיים, הוא מאמין שאפשר לבנות חומרים שיאפשרו לתאים הסולאריים ולסוללות הליתיום לפעול ביעילות רבה יותר. בנוסף, חיקוי תהליך הביומינרליזציה בו עושה הכיתון שימוש יאפשר גידול של ננו-גבישים בטמפרטורות נמוכות באופן יחסי לגידול ננו-גבישים, ובכך, בדומה לתהליכים ביומימטיים רבים, יתאפשר חיסכון באנרגיה ובעלויות כספיות. 

למקור הידיעה

חדש(נ)ות מהטבע פברואר 2013

קוראים יקרים שלום,

תחום הביומימיקרי מתפתח בקצב מואץ בעולם כתחום מדעי המוביל חדשנות טכנולוגית סביבתית. מבט עדכני על התפתחות התחום תוכלו לקרוא החודש בתקציר מאמר שפורסם לאחרונה ומבוסס על ניתוח נתונים.
החודש בחרנו להרחיב על מנגנון הכיפוף הייחודי של הפרח ציפור גן עדן שהוביל לחדשנות הנדסית, על תהליך קיבוע פחמן דו חמצני המתרחש בגופם של קיפודי הים ועל תרומתו האפשרית למאבק במשבר האקלים, על מנגנון סינון קרינת שמש ייחודי שהתגלה באלמוגים ועל נהיגה בטוחה ויעילה בעקבות נחילים.

ההרשמה לקורס מבוא לביומימיקרי שיפתח באפריל 2013 ומוצע לראשונה בישראל ע"י ארגון הביומימיקרי הישראלי נמצאת בעיצומה !!!  מהרו והבטיחו את מקומכם. לקבלת סילבוס אנא פנו ל: info@biomimicry.org.il

בברכת קריאה מהנה,

צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי.

אין צירים בגן עדן

מאת: יעל הלפמן כהן

מנגנון ההאבקה של הצמח ציפור גן עדן, המבוסס על מנגנון כיפוף ייחודי ונעדר צירים, משמש כמקור השראה ומקור ידע לבניית מערכות טכנולוגיות חסכוניות באנרגיה ובעלויות תחזוקה.

מבנים ארכיטקטוניים כמו מערכות הצללה, מטריות או סוככים, מכילים בדרך כלל רכיבים נוקשים, המחוברים באמצעות צירים. רכיבים אלה נחשפים לעומסים במהלך השימוש, הם נשחקים וזקוקים לתחזוקה ולהחלפה. בטבע יש מבנים גמישים המציגים דרך אחרת להתמודד עם האתגר של הכיפוף. למרות שהמונח ציר מופיע בספרות לתיאור המחברים הגמישים שלהם, צמחים מתעקמים ללא צירים, אלא באמצעות מבנים דמויי צירים, המאופיינים בהפחתה מקומית של עובי החומר.

ציפור גן עדן הוא פרח נוי יפהפה דמוי ציפור, שציפורים מעבירות את האבקה שלו מפרח לפרח. הציפורים נוחתות על כותרת הפרח, ומשקלן גורם לכיפוף זמני של עלי הכותרת. הכיפוף חושף את האבקנים, ואלה נדבקים לרגלי הציפור, שאח"כ ממשיכה במעופה לפרחים אחרים ומבצעת את מלאכת ההאבקה. עם מעופה של הציפור ושחרור העומס מעלי הכותרת, האבקנים נסוגים אחורה למנח המקור, ומכוסים בבטחה ע"י עלי הכותרת הודות למאפיינים האלסטיים של המערכת. לצפייה במנגנון האבקה לחץ על קישור זה.

                      תמונה מאת Myukew תחת רישיון  CCAttribution-Share Alike 2.0

מנקודת מבט הנדסית, מנגנון הכיפוף של הפרח הוא מנגנון תנועה חסר צירים. כוח מכאני חיצוני (משקל הציפור) יוצר כיפוף של מספר רכיבים. בשל תכונותיהם האלסטיות של הרכיבים, האנרגיה האלסטית הנאגרת יכולה להחזיר את המערכת למצבה הראשוני.

מנגנון התנועה המעניין נחקר על ידי מר סיימון שלייטשר בסיוע אוניברסיטת שטוטגרט, ונרשם כפטנט תחת השם Flectofin. בתהליך פיתוח ביומימטי, שעלה מאתגר הנדסי של פיתוח מנגנון כיפוף ללא צירים, נבחנו מנגנוני כיפוף במספר צמחים, בהם גם ציפור גן עדן. בשלב הראשון נבנה מודל פיסיקלי המדגים התנהגות כיפוף דומה לזו המודגמת בצמח ציפור גן העדן. באמצעות מודל זה הועמקה ההבנה לגבי המנגנון והוגדרו הפרמטרים הגיאומטריים והחומריים הדרושים כדי לפתח יישומים של מנגנון זה. את משקל הציפור מחליפה לחיצה קלה באצבע, בעקבותיה מתחילה "השדרה" המרכזית להתעקם והחלקים המחוברים אליה מתכופפים לצדדים. לצפייה במודל הפיסיקלי לחץ על קישור זה.

למנגנון כיפוף זה, הנעדר צירים, ייתכנו יישומים רבים, מרמת המיקרו ועד ליישומים ארכיטקטוניים למבנים. יישום מכניזם הכיפוף ליישומים אדריכליים התאפשר לאחר שזוהה פולימר מתאים, בעל יכולות אלסטיות, המסוגל להגיע לסטייה גדולה לפני כשל. כרגע נמצאת בפיתוח מערכת הצללה בעלת רפפות, המאפשרת זוויות פתיחה הנעות מ- 90- ל – 90+. תהליך הכיפוף יכול להיות מופעל על ידי לחץ חיצוני שמפעיל המשתמש, או באופן אוטונומי, כתגובה לשינוי טמפרטורה. מאחר והמערכת פועלת ללא צירים ישרים, היא יכולה להיות מותאמת להצללה של חזיתות בעלות מבנה עקמומי.

השימוש במערכות מכאניות ללא צירים מוריד את רמת התחזוקה הנדרשת, ומביא חיסכון אנרגטי בתפעול. העדר הצירים מאפשר גם ייצור בשלב אחד וביטול הצורך בהרכבה.

מעניין לראות שדווקא צמחים הנעדרים יכולות תנועה מדגימים מנגנוני תנועה מרתקים. שוב אנו עדים לכך שתחת אילוצים באים לידי ביטוי פתרונות חדשניים בטבע. כמו ציפור גן העדן יש צמחים נוספים הראויים למחקר, הנושאים בחובם מנגנוני תנועה חדשניים היכולים להוות מקור השראה וידע ליישומים במספר תחומים, לרבות ארכיטקטורה, תעופה, טכנולוגיה רפואה והנדסה.

למידע נוסף

על קיפודי הים ופחמן דו חמצני

מאת: מאיה גבעון

שריונם של קיפודי הים מתקשח בזכות יוני הניקל שבגופם, המקבעים את הפחמן הדו חמצני הנמצא במים כסידן פחמתי במהירות ובנוחות. האם יוכלו הקיפודים לסייע לנו במאבק במשבר האקלים? צוות מדענים בריטי טוען שכן.

גזי החממה, ובראשם הגז הטבעי פחמן דו חמצני, (שמהווה חלק משמעותי בהרכב האטמוספרה שלנו) הופכים במהירות לאיום מרכזי על בריאותנו עקב יכולת אגירת החום שלהם, הגורמת לשינויי האקלים הגלובליים.
לצד מאמצים הכרחיים (אך בינתיים לא מספקים) של מדינות העולם להפחית את פליטת גזי החממה בתחומן, מחפשים חוקרים פתרונות טכנולוגיים, שיאפשרו להפחית את ריכוז הפחמן הדו חמצני באטמוספירה. הפתרון הטכנולוגי העיקרי המקודם כיום מתבסס על שאיבת פחמן דו חמצני מפתחי פליטות של תחנות כוח, למשל, והזרמתו בלחץ גבוה לכיסים במעבה האדמה. הדעות לגבי יציבות פתרונות אלה וכדאיותם עדיין חלוקות.

אנחנו, כרגיל, מציעים להסתכל על הטבע כמדד וכמודל. מחזור הפחמן בטבע מתבסס על ריאקציות כימיות פשוטות, הקושרות את הפחמן הדו חמצני והופכות אותו למינרל, שהינו בלתי מזיק ושימושי ליצורים רבים. במאמר שהתפרסם לאחרונה בכתב העת Catalysis Science and Technology, מדווח צוות חוקרים מאוניברסיטת ניוקאסל על תגלית, שיכולה לזרז פיתוח מנגנון זול ויעיל לקיבוע פחמן דו חמצני. הצוות חקר קיפודי ים, וגילה תהליך של קיבוע פחמן דו חמצני ממי הים בעזרת חמצונו בעזרת ניקל המצוי בגופם של קיפודי הים, והפיכתו לסידן פחמתי (קלציום קרבונט, 3CaCO), מלח מינרלי המהווה את השריון הקשיח שלהם. הניקל משמש כזרז בתהליך, כלומר מזרז את התהליך הכימי מבלי להיצרך במהלכו, כך שאותו יון ניקל יכול לזרז את התגובה הכימית שוב ושוב.

                        תמונה מאת Tomasz G. Sienicki תחת רישיון  CC Attribution 2.5

מוכרים זרזים אחרים בטבע המבצעים תגובה כימית דומה – כמו למשל האנזים אנהידראז פחמתי (carbon anhydrase), הפועל בתאי הדם האדומים ומסייע בהובלת הפחמן הדו חמצני בדם ובשמירה על רמת חומציות קבועה בדם. בניגוד לאנהידראז הפחמתי, הנעזר ביון אבץ, לפעולת הניקל יתרונות רבים, שיכולים לסמן אותו כפתרון טכנולוגי מועדף:

+ פעולת הניקל מתרחשת בטמפ' החדר, בלחץ אטמוספרי, וללא כל תלות בחומציות סביבתו,

+ הניקל מסיס ובעל תכונות מגנטיות, וניתן להיעזר בכך כדי להפריד אותו בקלות מתוך תמיסה.

+ ניקל זול אלפי מונים מאנזימים המוכרים כיום בשוק.

קיפודי הים אינם היחידים. המעטה המגן החיצון של צדפות ואלמוגים וכן חלקים קשיחים אחרים בגופם, העשויים סידן פחמתי (גיר), נוצרים על ידי שימוש בפחמן הדו-חמצני המומס במים. האם גם אנחנו נלמד לנצל את עודפי הפחמן הדו חמצני שמצטברים באשמתנו באטמוספירה באופן מקיים, ולהפוך אותם לחומר בסיס שימושי?

למקור בידיעה
מידע נוסף