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 פברואר 2017

  קוראים יקרים שלום,

הכנס השלישי ל"ביומימיקרי – אקדמיה ותעשייה" יתקיים השנה במתכונת מורחבת ב- 08.06.17 באוניברסיטת תל אביב. מצורף קול קורא להרצאות בכנס. הצעות להרצאות יש לשלוח עד ה- 28.02.17. אתר הכנס יפורסם בקרוב.  
החודש נציג את פועלו של פרופ' בעז מזרחי, מנהל המעבדה לביו-חומרים בפקולטה להנדסת ביוטכנולוגיה ומזון בטכניון, העוסקת בפיתוח חומרים חדישים, תוך יישום עקרונות מן הטבע. נעסוק במנגנון הרחרוח של כלבים והקשר שלו לשיפור ביצועים של גלאי ריחות מסחריים, ונדווח על שיטה חדשה למניעת הצטברות קרח על משטחים בהשראת צפרדע החץ הרעילה.

 


 

בברכת קריאה מהנה,

צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי

 

חיקוי עקרונות מן הטבע בפיתוח חומרים סינטטיים

מאת: יעל הלפמן כהן

המעבדה לביו-חומרים בפקולטה להנדסת ביוטכנולוגיה ומזון בטכניון, בניהול של פרופ' בעז מזרחי, עוסקת בפיתוח חומרים חדישים, חלקם בהשראת הטבע ותוך יישום עקרונות מן הטבע.
פרופ' מזרחי מספר שהפרוייקטים הביומימטיים מתחילים בעקבות זיהוי תכונה ייחודית בטבע, וחקר התכונה הזאת בהיבטים של מבנה וכימיה. המחקר נועד להבהיר איך מקנים הכימיה והמבנה יחד את הייחודיות המזוהה, ובהמשך מתורגם הידע הזה ליישומים שונים. את אותן תכונות ייחודיות מזהה פרופ' מזרחי במאמרים שמספקים כיווני מחקר והשראה, אך התוצרים, לפי הערכתו של מזרחי, לפחות כאשר היבטים יישומיים נכנסים לתמונה, לא באמת מגיעים לרמת הביצועים של הטבע.
אחד העקרונות שיושמו במעבדה הוא חיקוי יכולת התגובה של חומרים לשינויים קלים בסביבתם. בהשראת יכולת ההצמדות של שממיות, הנגזרת ממיליוני ריסונים מפוצלים שנצמדים באמצעות כוחות ון דר ואלס, פותחה מדבקה שמודבקת על כיבים בפה ומתמוססת אחרי 6-8 שעות. המדבקה מבוססת על פולימר מצולב ודחוס, הכולל קשר יוני חלש עם הרקמה הרירית של הפה, ומבוסס על עיקרון של ריבוי תת יחידות של קשרים חלשים.
פרויקט אחר עסק בפיתוח דבק צדפות. צדפות, כידוע, נצמדות לריף או לגופים מתכתיים על מנת לא להיסחף ליבשה עם השפל. הצדפה מפרישה נוזל שהופך לסיב קשיח וגמיש. בתהליך מעורבת גם חומצה אמינית בשם DOPA, שמתחמצנת על ידי יוני ברזל המופרשים ליצירת קשרים קוולנטים חזקים. בנוסף, חומצה אמינית זו יודעת לייצר קומפלקסים עם יוני הברזל ליצירת סיב בעל גמישות מרבית ויכולת לריפוי עצמי במקרה של קריעה. הצדפה שולחת רגל ואז מפתחת סיבים שמחברים אותה למשטח. לאחר ההצמדה, הרגל מתנתקת וחוזרת לצדפה. במעבדה סונתז פולימר סינטטי  בצורת כוכב ובקצוות שלו חובר דופמין. כמו בטבע, לאחר שהוסיפו יוני ברזל, התקבל חומר קשה.

 
                                      תמונה באדיבות פרופ' בועז מזרחי
 
לפיתוח יתכנו שימושים שונים ובהם הזרקת  חומר נוזלי שיתקשה בגוף, תוך שליטה על דרגת הקושי שלו בהתאם לרקמה בגוף, וזאת באמצעות וויסות ריכוזי הברזל. ניתן גם לשלוט בזמן ההתכלות ע״י רמות הברזל. כשאין ברזל בכלל החומר נספג בגוף תוך שעות. כשמעלים את ריכוז ברזל החומר שורד זמן ארוך יותר. פרויקט אחר במעבדה עסק בפיתוח משטחים מטיטניום עם תכונת Antifouling (מניעת הידבקות) לציפוי סטנטים, שתלים אורתופדיים או סנסורים. גם חומר זה הונדס בזכות חיקוי יכולת ההדבקה של הצדפה.
פרויקט נוסף עוסק בפיתוח חומרים פוטו-טריגרד, תוך יישום יכולת התגובה של חומרים טבעיים לאור, ובהשראת צמחים הנעים בתגובה לאור (הליוטרופיזם). סונתז פולימר סינטטי המכיל נגזרת של חומצה צינמית. ניתן לשלוט במבנה שלו באמצעות אור בתחום NIR 700-850)), אור שאינו מסכן את גוף האדם וחודר אליו בקלות.  בין השימושים האפשריים: שחרור ממוקד של תרופה באזור גידול, לאחר שחלקיקים הנושאים את התרופה יגיעו עם מחזור הדם לאזור הגידול, המוקרן באור NIR, שם יתפרקו וישחררו את התרופה. שימוש אחר יכול להיות Self-healing לחומרים, כאשר פולימרים ובתוכם ננו חלקיקי זהב, מוארים ב- NIR.  הזהב פולט חום והפולימר מותך באזור בו נדרש ריפוי למבנה, עקב שריטות, למשל.
את הפוטנציאל הרב של למידה מהטבע תמצת פרופ' מזרחי במשפט
 ""Nature can always publish in Nature. אכן, החדשנות באה לידי ביטוי במגוון הפיתוחים החדשניים במעבדת הביו- חומרים בטכניון, בהשראת חומרים, תהליכים, ועקרונות מן הטבע. הטבע מספק חזרות רבות של ניסוי, וכר פורה ללמידה. בהצלחה !


*הידיעה נכתבה בעקבות הרצאה שנתן החודש פרופ' מזרחי בערב בוגרי הטכניון, בנושא חיקוי עקרונות מן הטבע בפיתוח חומרים סינטטיים.


 

כדי להריח כמו כלב צריך ללמוד לרחרח!

מאת: אופיר מרום
חוקרים שחיקו את מנגנון הרחרוח של כלבים הצליחו לשפר ביצועים של גלאי ריחות מסחריים.

לכלבים חוש ריח מעולה, ולכן, במשך זמן רב נעזרו בהם בני האדם לגילוי ולזיהוי של חומרים מסוכנים, למציאת נעדרים באזורי אסון ועוד. הרגישות הגבוהה של כלבים לריח משויכת בדרך כלל לכמות הגדולה של קולטני ריח הנמצאת באפם. הכלבים מהווים אידיאל ומקור השראה עבור המהנדסים והמדענים, המנסים לפתח אמצעים מלאכותיים שיהיו מסוגלים לזהות ריח באותה הרגישות שבה כלבים עושים זאת, אך עד כה ללא הצלחה. רוב הפיתוחים הטכנולוגיים התרכזו ביצירת סוגים שונים של חיישנים, אולם רק מעט תשומת לב ניתנה לחלק נוסף בתהליך ההרחה של הכלב - פעולת הרחרוח עצמה.
כל מי שהתבונן אי פעם בכלב המנסה להריח יודע שהוא עושה זאת בצורה אופיינית של רחרוח. מחקרים קודמים שביקשו לתאר באופן מפורט את פעולת הרחרוח מצאו שהכלב שואף ונושף אוויר דרך הנחיריים בקצב של כחמש פעמים בשניה. בזמן השאיפה, האוויר, שנמצע כ- 1-2 ס"מ מהאף של הכלב, נכנס לתוך הנחיריים בזרימה אחידה ומסודרת. בזמן הנשיפה, מבנה האף היחודי והנחיריים מסיטים את סילון האוויר שיוצא מהאף לצד ולמטה. בזמן רחרוח, סילוני האוויר החם שיוצאים מהאף פוגשים במשטח וגורמים לאידוי ולהרחפה של ריחות, שמיד לאחר מכן נכנסים לאף בשאיפה. בנוסף, בזמן רחרוח של משטח, לכיוון הזרימה המסויים שבו יוצא סילון האוויר מהאף יש שתי מטרות חשובות: הראשונה, באופן זה נמנעת הרחקה של ריחות שנמצאים ישירות מול האף, שמיד לאחר הנשיפה יכנסו לאף בשאיפה. המטרה שניה היא יצירת תנועת אוויר מהאף אחורה, שלמעשה גורמת לשאיבה של אוויר הנמצא מלפני האף במרחק גדול יחסית ובכך מרחיבה את הטווח האווירודינאמי של ההרחה.


צוות חוקרים שבחן את מנגנון הרחרוח הבין שכל מכשירי החישה כיום דוגמים את האוויר בשונה מהאופן שעושים זאת הכלבים, ולמעשה הם שואבים באופן רציף וחד כיווני את האוויר אל תוך תא המדידה. החוקרים החליטו לבחון כיצד ישתנו הביצועים של אותם מכשירים אם הם יתחילו "לרחרח" כמו הכלבים. לשם כך הודפס במדפסת תלת ממד העתק מדוייק של אף של כלב (כלבת לברדור במשקל 29.5 ק"ג, ליתר דיוק). ראשית חובר המודל של האף למערכת שאיבה שחיקתה את השאיפות והנשיפות של הכלב. באמצעות מכשור מתקדם במעבדה הצליחו החוקרים להראות שסביב המודל המודפס נוצרה תנועת של אוויר, באופן דומה למנגנון שתואר מתוך תצפיות בכלבים חיים. החוקרים השתמשו במודל המודפס כדי לאסוף דוגמאות ריח של חומר נפץ TNT. הם הצליחו להראות שאכן מנגנון הרחרוח והמבנה המסוים של אף הכלב מאפשרים לדגום כמעט פי עשר יותר חומר לעומת שאיבה אחידה של האוויר.
בשלב הבא לקחו החוקרים גלאי ריחות מסחריים. הם ייצרו, באמצעות מדפסת תלת ממד, תוסף שתוכנן בהשראת המבנה של אף הכלב. התוסף חובר לכניסה של הגלאים וגרם למכשירים לשאוב דוגמאות אוויר באופן דומה למנגנון הרחרוח. לאחר סדרה של בדיקות נמצא שכשהגלאי "ריחרח" כמו כלב, עלתה יכולת הזיהוי של גלאי אחד  עד פי-18 ועד פי-16 עבור גלאי נוסף, המיועד לזהות חומרי נפץ. ללא ספק שיפור דרמטי לעומת השינוי ההנדסי הפשוט שנדרש לבצע בגלאי. 
 
 

 

ציפוי נגד קרח בהשראת צפרדע החץ הרעילה

מאת: רינת ברקו פילוסוף

קרח יכול לגרום נזקים רבים. הוא מצטבר בחורף על שמשות מכוניות, כנפי מטוס, והוא יכול לגרום  להולכי רגל להחליק וליפול בדרך. היווצרות קרח יכולה לגרום להפסקות חשמל, ולשבש הפקת  גז ונפט. כמו כן, התקרחות יכולה לגרום לירידה ברמת היעילות של טורבינות רוח שמייצרות אנרגיה.

צוות מדענים מאוניברסיטת אריזונה סטייט (ASU) פיתחה שיטה חדשה למניעת הצטברות קרח על משטחים כמו כנפי מטוס. את  ההשראה הם מצאו במקור בלתי רגיל: צפרדע החץ הרעילה.

בתעשייה, אמורות טכנולוגיות נוגדות קיפאון למנוע, או להאט הצטברות של כל צורות הקרח. הגישה הנפוצה ביותר למניעת התקרחות כיום היא שימוש בחומרים כימיים, אשר מורידים את נקודת הקיפאון של המים. בתעשייה האווירית הדרך המקובלת כיום למניעת היווצרות קרח היא לרסס כמות גדולה של חומר מבוסס גליקול על גבי המטוס לפני ההמראה, אבל נוזל זה יקר, במיוחד אם משתמשים בו בכמויות גדולות, בעיקר בתקופות של דרישה גבוהה, כמו בסופות חורף. לשימוש יתר בנוזל נוגד קיפאון יכולות להיות גם השלכות סביבתיות שליליות. כאשר החומר מגיע למקורות מים הוא עלול לזהם אותם.




סוגיות אלה הניעו את החיפוש אחר אלטרנטיבה, נבחנו נתיבים שונים למניעת הצטברות קרח או, לפחות, להקל את הסרתו ידי החלשת ההדבקה שלו לפני השטח. חוקרי ASU נקטו בגישה היברידית. את ההשראה קיבל החוקר הראשי, קונרד Rykaczewski , כאשר טייל בפנמה, שם התוודע למנגנון ההגנה העצמית היעיל של צפרדע החץ הרעילה. כאשר הצפרדע מותקפת, היא מפרישה  רעל דרך העור על מנת להרתיע טורפים. הצפרדע אוצרת את הרעל בשכבה פנימית מתחת לעור החיצוני שלה, ומשחררת אותו רק כשהיא מרגישה מאוימת. קונרד וצוותו חיקו את המבנה הדו השכבתית של עור הצפרדע, כאשר השכבה העליונה היא סופר-הידרופובית (דוחה מים), ותפקידה למנוע מהגשם לקפוא וליצור קרח על פני השטח. אך כאשר על השכבה העליונה מתחיל להיווצר קרח עקב כפור או בשל עיבוי של אדי מים מהאוויר (קרה), השכבה התחתונה נכנסת לפעולה, ונוזל נוגד קיפאון מפעפע לשכבה העליונה דרך הנקבובית וגורם להמסת הקרח.

 

 












 

חדש(נ)ות מהטבע ינואר 2017

קוראים יקרים שלום,

הכנס השלישי ל"ביומימיקרי – אקדמיה ותעשייה" יתקיים השנה במתכונת מורחבת ב- 08.06.17 באוניברסיטת תל אביב. מצורף קול קורא להרצאות בכנס. הצעות להרצאות יש לשלוח עד . 28.02.17

החודש נציג חברת הסטרט-אפ הטוניסאית שפיתחה טכנולוגיית טורבינות רוח בהשראת נפנוף כנפי הצופית,  נרחיב על יצור סיבי משי בהשראת העכביש, נלמד שיעור במנהיגות מדגים, ונדווח על יצירת לייזר חדש על בסיס חלבוני המדוזה.

 בברכת קריאה מהנה,

צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי