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 מרץ 2014

קוראים יקרים שלום,
 
החודש נדווח על מלכת הקרח הניו-יורקרית, תעופה בהשראת העטלף, נסקר את תערוכת לאונרדו דה וינצ'י ופועלו בתחום הביומימיקרי ולקראת ניקיונות הפסח נדווח על שיטת הניקיון של השממית, 

השבוע יערך כנס ביומימיקרי השלישי(!) לילדים ברמת הנדיב. בתי ספר יסודיים המעוניינים להצטרף לתוכנית הלימודים בביומימיקרי בשנה הבאה מוזמנים לפנות למייל:info@biomimicry.org.il   לקבלת הזמנה לכנס.
בברכת קריאה מהנה וחג חרות שמח,
צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי.

מלכת הקרח החדשה היא... צפרדע

מאת: מאיה גבעון
צפרדע העץ Lithobates sylvatica היא מין ממשפחת הצפרדעים שנפוץ בצפון אמריקה, ואף נבחר לדו-חי הלאומי של מדינת ניו-יורק, תואר מכובד ללא ספק. גלי הקור חסרי התקדים שמכים באזור לאחרונה גרמו נזקים רבים, אך הצפרדע הלאומית ככל הנראה שרדה אותם ללא קושי, שכן יש לה יכולת יוצאת דופן להתמודד עם טמפ' קיפאון.
לצמחים ולבעלי חיים אסטרטגיות שונות ומשונות להתמודדות עם קור. רבים מהם נמנעים ממנו על ידי נדידה או על ידי מציאת מחבוא לחורף, או שהם נכנסים לתרדמת במקום חמים יחסית, ומשהים את מחזור חייהם עד לחזרת התנאים הנוחים לקיומם. אך יש גם כאלה שאינם בורחים או מתחבאים, אלא סובלים את הקיפאון.
התמודדות עם טמפ' נמוכות על ידי עמידות בקיפאון היא אסטרטגיה מורכבת: בעת צניחת הטמפ' אל מתחת לאפס, המים בדם קופאים ויוצרים גבישי קרח קטנים. אלה עלולים ליצור נזקים לכלי הדם, לפגוע בתפקוד התאים ולהביא להתייבשות. בעל חיים שמסוגל לקפוא ולהפשיר חייב להיות מסוגל להגן על גופו מנזקים אלה.
צפרדע העץ שורדת חורפים ארוכים וקשים בקנדה ובצפון ארצות הברית, ויכולה לקפוא לחלוטין, להפשיר ולחזור לפעילות מספר רב של פעמים מבלי להנזק. בעת הקיפאון, גוונה משתנה מחום לכחלחל, פעילות ליבה פוסקת, ועד 65% מכמות המים בגופה הופכים מוצקים. כל פעילות פיזית, לרבות הנשימה נפסקת, המטבוליזם צונח וכך מעבירה קרחון-הצפרדע את החורף במצב חיות מושהה (suspended animation) עד שהאוויר שב ומתחמם.
כיצד היא עושה זאת? שני מנגנונים מסייעים לצפרדע: הראשון הוא שליטה ובקרה על תהליך הקפאון. הצפרדע מסוגלת ליצור חלבונים שמעודדים את הקפיאה, ולמעשה יוזמת את תחילת הקפיאה ממקור מבוקר בגופה, כך שהיא יכולה לשלוט בתהליך ולהאט אותו, ובכך לאפשר לגוף להסתגל למצב באופן הדרגתי יותר מאשר בקפיאה ספונטנית, שיכולה להיות מהירה ביותר. המנגנון השני כולל ייצור חומר מונע קיפאון: הצפרדע אוגרת סוכרים בריכוז גבוה בתוך התאים, כך שהמים יוצאים מהתאים ומשאירים בהם תמיסה סוכרית מרוכזת, שמונעת קיפאון ונזק. רק החלל הבין תאי קופא.
ביולוגים משערים שאסטרטגיות אלה הן למעשה שיכלול של אסטרטגיות ההתאמה של הצפרדעים לתנאי יובש. מרבית הדו-חיים הם בעלי עור חדיר ביותר למים ועל כן הם גם מאבדים מים בקלות רבה. לצפרדעים שחיות ביבשה יש יכולת לאבד עד כ-50% מהנוזלים בגופן ולהתאושש – יכולת שאינה קיימת בבעלי חוליות.
המנגנונים המדויקים המאפשרים לצפרדע לקפוא ולהתאושש עדיין נחקרים, ושאלות רבות עדיין פתוחות: כיצד שורד בעל החיים זמן ממושך ללא חמצן? מהם הטריגרים שמתחילים את תהליך הקפיאה – וחשוב יותר, את תהליך ההפשרה? הדרך להבנה מלאה של חידות אלה עוד ארוכה, אך השימושים הפוטנציאליים שיכולים להתפתח כתוצאה מהן מסעירים את הדמיון...

דה וינצ'י Alive

במרכז הירידים מוצגת בימים אלה תערוכת דה וינצ'י  Alive . התערוכה מאפשרת הצצה לפועלו של לאונרדו דה וינצ'י. טביעת עינו הביומימטית ניכרת בתערוכה ובכתביו.
בסוף ינואר נפתחה במרכז הירידים התערוכה דה וינצ'י  Alive, הסוקרת בהרחבה את פועלו של איש האשכולות הידוע כממציא, כאמן, כמהנדס, כאדריכל - ובהקשר שלנו כחלוץ הביומימיקרי.
התערוכה הנודדת עוסקת בפועלו של לאונרדו דה וינצ'י וכוללת חוויה רב חושית ותצוגה של
יצירות ומכונות שהמציא דה וינצ'י המוצגות בגודל אמתי. צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי ביקר בתערוכה וזיהה את טביעת העין הביומימטית, המתבטאת באופן בו התבונן דה וינצ'י בטבע וחקר אותו.
דה וינצ'י ידוע כמי שהתבונן עמוקות בטבע ובגוף האדם. בתהליך החקר מיזג דה וינצ'י ראייה הנדסית ואמנותית. כך למשל ראה דה וינצ'י בכף הרגל של האדם יצירת מופת הנדסית וגם יצירת אומנות. דה וינצ'י הניח שברגע שנדע איך פועלים גוף האדם וכוחות הטבע, יהיה לנו בסיס למכונות שמחקות את דפוסי הטבע. לשם כך חקר וזיהה דפוסים חוזרים בטבע בהתנהגויות ובנסיבות שונות. כך למשל הבחין דה וינצ'י שחתך עץ נשאר קבוע בכל גובה של העץ, גם כאשר העץ מסתעף.
דה וינצ'י הקדיש שעות רבות ביום להתבוננות, להסתכלות, למחקר ולשרטוט של מעופפים שונים בטבע כמו דג מעופף, עטלף, שפירית ואחרים במטרה לפתח מכונה מעופפת. הוא העמיק בלימודי הזואולוגיה והאנטומיה של התעופה הטבעית אך דה וינצ'י לא הסתפק בהתבוננות ובאיסוף ידע. הוא טען כי הידע אינו מספיק ועלינו ליישמו.  כידוע, דה וינצ'י לא צלח במשימתו לפתח את המטוס הראשון, אך הוא הניח את היסודות לתחום הביומימיקרי, המחבר ידע זואולוגי והנדסי בצורה מתודולוגית.
לאור פועלו המתואר של דה וינצ'י והיותו מחלוצי הביומימיקרי נקרא היום אינדקס ביומימטי על שמו. אינדקס דה וינצ'י הוא מדד לגידול ולהתפתחות הדיסציפלינה הביומימטית, והוא מבוסס על מספר המאמרים, מענקי המחקר והפטנטים בתחום הביומימיקרי.להלן קישור לאינדקס.
מאז ומעולם התבונן האדם בטבע, אך דה וינצ'י חתר להשלים את תהליך הפיתוח הביומימטי  המתחיל בחקר אורגניזם ומסתיים בהעברה ליישום. היום אנחנו מבינים את הפוטנציאל הגדול הגלום בלמידה מהטבע. דה וינצ'י הבין זאת לפני מאות שנים כאשר אמר:
"האדם לא יוכל למצוא עצה טובה, פשוטה או ישירה יותר מהעצה של הטבע, כי בהמצאות הטבע אין דבר חסר ואין דבר מיותר".

לא דבק בו רבב

מאת: אופיר מרום
בהשראת הרגליים הדביקות של השממית, סרט הדבקה המסוגל להרחיק מעצמו לכלוך.
שממיות מתעלות על סרטי הדבקה במספר מובנים ואחד המעניינים בהם הוא שגם לאחר מגע חוזר עם לכלוך ואבק הרגליים שלהן נדבקות בצורה מושלמת למשטחים חלקים. לאחר שנים ארוכות של מחקר הצליחו חוקרים לפתח סרט הדבקה שמחקה את מנגנון ההדבקה של אצבעות השממית, ובדיוק כמותן, הוא גם מסוגל להרחיק מעליו לכלוך ולשמור על יכולת הדבקה פעמים רבות.
רגלי השממיות לא מצופות בחומר דביק והן אינן צריכות ליצור וואקום כדי להיצמד למשטחים. במקום זאת, כל אצבע שלהן מכוסה במיליוני שערות זעירות שיוצרות אפקט קוונטי חשמלי. בין כל שערה למשטח נוצרת משיכה חלשה כתוצאה מתנועה אקראית של אלקטרונים (כוחות ואן דר ואלס). סכום הכוחות בין מיליוני השערות למשטח מצטבר לכוח משמעותי, שמאפשר לשממית לשמור על אחיזה איתנה אפילו על גבי זכוכית מלוטשת. לכלוך שנשאר על רגליה של השממית פוגע ביכולת ההדבקה שלה, לכן היא חייבת לנקות אותן באופן רציף. הרחקת הלכלוך מתבצעת בזמן תנועה, כאשר השממית גוררת את רגליה על חלק מהמשטח. כתוצאה מהחיכוך שנוצר, מורחקים חלקי הלכלוך הגדולים ואילו החלקיקים הקטנים נופלים ומתיישבים בין השערות.  
באותו האופן בדיוק פועל סרט ההדבקה החדש שפיתחה קבוצת מדענים מארה"ב וגרמניה. הסרט הינו חומר יבש שמכוסה במיקרו-שערות מלאכותיות וגמישות הדומות בצורתן לפטרייה. כדי לבדוק את יכולת הניקוי של סרט ההדבקה, בוצעו ניסויים עם חרוזי זכוכית זעירים במגוון גדלים, שדימו גרגרי אבק. בניסויים נמצא שכאשר קוטר חרוז עלה על קוטרה של המיקרו-שערה, החומר איבד את הדביקות לאחר המגע ראשון, אך לאחר תהליך ניקוי דומה לזה בו משתמשת השממית, רוב הלכלוך הורחק, וסרט ההדבקה חזר כמעט ל-100% מיכולתו. כאשר קוטר החרוז היה קטן מזה של המיקרו-שערה, רק שליש מכוח ההדבקה המקורי שוחזר.
"כדי לחקות באופן מושלם את יכולת ההדבקה של השממית אנו צריכים ליצור שערות בגודל ננומטרי הקטן יותר מרוב חלקיקי הלכלוך" אומר ד"ר מייקל רוהריג (Dr. Michael Röhrig). שימוש בסרט הדבקה מסוג כזה יאפשר לאריזות מזון או לתחבושות להיפתח ולהיסגר מספר רב של פעמים. אין ספק שלאחר שיושלם הפיתוח ניתן יהיה למצוא שימוש רב בסרט ההדבקה בעל יכולות כאלו בתחום הספורט והרפואה או בתעשיית הרכב וטכנולוגית החלל.

תעופה בהשראת עטלפים



חוקרים  ב -  Virginia Tech מתכננים כלי תעופה ממוזער, המבוסס על תנועת כנפיים. לשם כך הם חוקרים מנגנוני תעופה מבוססי כנפיים.
אצל עטלפים, אצבעות הידיים (כנפיים) מחוברות בקרום דק וגמיש היוצר את הכנפיים. אך מעבר למבנה האנטומי של כנף העטלף, מחקר תעופת העטלפים מורכב ביותר, גם בפרטים חיים וגם באנליזות מחשב.
ב - Virginia Tech חקרו את כנפי עטלפי הפירות. החוקרים השתמשו במדידות ניסויים של תנועות כנפי העטלף בתעופה אמתית ובאנליזה ממוחשבת כדי לבחון את הקשר בין תנועת כנפי העטלף לבין תנועת האוויר בסביבות הכנף. 
התמונה באדיבות Ben Charls
לעטלפים שונים צורות וגודל שונה לכנפיים, בהתאם לתפקוד האבולוציוני שלהן. בדרך כלל, עטלפים מאוד זריזים ויכולים לשנות את מסלול התעופה שלהם במהירות ובכך הם מציגים יכולת תמרון מרשימה בעת צייד. משקלם של עטלפי הפירות הוא 81 – 171גרם, ומוטת הכנפיים שלהם היא עד-60 ס"מ.  הם נפוצים במגוון רחב של אזורי אקלים, בעיקר באזורים חמים.
אחת ההפתעות הגדולות במהלך המחקר הייתה לגלות כיצד העטלף משנה את תנועת הכנף בתזמון מדויק כדי למקסם את הכח המופק על ידי הכנף. העטלף משנה את צורת הכנף ואת גודלה באופן רציף במהלך התנועה. למשל: העטלף מגדיל את שטח הכנף ב 30% כדי למקסם את כוחות התנועה במהלך תנועה מטה, ומקטין באותו יחס את גודל הכנף בתנועה מעלה כדי למזער כוחות מתנגדים. מקדם הכוחות הנוצרים באמצעות הכנף הוא פי שתיים או שלוש גדול יותר מהכוח של כנף סטטית של מטוס גדול.
מחקר זה מהווה צעד ראשון בעבודת החוקרים, בשלב הבא יחקרו את השינויים המורכבים של כנף העטלף וינסו לפשט אותם מצד אחד, אך להגיע לאותה ניצולת אנרגטית מצד שני על מנת להתקדם לקראת פיתוח רובוט שעף בדומה לעטלף.