חדש(נ)ות מהטבע מאי 2013

קוראים יקרים שלום,

בגיליון זה אנו שמחים לספר לכם על הכנס האקדמי הראשון בישראל בתחום הביומימיקרי "ביומימיקרי- ללמוד ולחדש מן הטבע".הכנס התקיים במאי בשיתוף פעולה עם המכון הטכנולוגי חולון וקיבץ מאות חוקרים,אנשי חינוך, עיצוב וסביבה מכל הארץ. עוד נספר על השתתפות ישראל בועידת תקינה בינלאומית בתחום הביומימטי שהתקיימה בפריס, נמשיך ונספר לכם על עקרונות החיים ופתרון למחלות כלי דם בהשראת הצדפה.

ב 2014 תתקיים בפעם הרביעית תחרות נושאת פרסים בחסות ארגון המהנדסים הגרמני. התחרות הפעם מתמקדת בפיתוחים ביומימטיים. אנו מזמינים אתכם להציע הצעות לתחרות. הצעות ניתן להגיש באנגלית עד פברואר 2014- לפרטים נוספים: International Bionic-Award 2014.

בברכת קריאה מהנה,

צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי

כנס ביומימיקרי - ללמוד ולחדש מן הטבע

מאת: יעל הלפמן כהן

החודש התקיים הכנס האקדמי הראשון בישראל בתחום הביומימיקרי, שכותרתו: "ביומימיקרי- ללמוד ולחדש מן הטבע".

כ- 300 איש מהמגזר התעשייתי, העסקי, הציבורי והאקדמי, שמעו הרצאות מפי מיטב החוקרים ממוסדות שונים להשכלה גבוהה בארץ, ביניהם הטכניון, אוניברסיטת בן גוריון, אוניברסיטת תל אביב, האוניברסיטה העברית,  HITמכון טכנולוגי חולון, מכללת אורנים, בצלאל ושנקר.  הכנס הוא פרי שיתוף הפעולה של ארגון הביומימיקרי הישראלי והמכון הטכנולוגי בחולון, התוכנית לתואר שני בעיצוב משולב. מטרת הכנס ליצור תשתית לגיבוש קהילה ביומימטית בישראל, ולכונן מסד של עיון ומחקר בשדה זה.

תחום הביומימיקרי רחב והוא כולל יישומים בתחומים רבים, ועל כן כללה תוכנית הכנס מספר מושבים, המאפשרים העמקה בנושאים שונים.  בכנס נכללו ארבעה מושבים, ובהם: הנדסה מכאנית ביומימטית, ארכיטקטורה וסביבה ביומימטיים, הנדסת חומרים ביומימטית וכן מושב פדגוגי, שסקר תוכניות חינוך וקורסים באקדמיה ובחינוך הפורמאלי והבלתי פורמאלי בישראל. במושבים נסקרו בעיקר מחקרים, אך הייתה גם נציגות לחברה מסחרית אחת, חברת אמורפיקל, שהשלימה את מעגל הפיתוח הביומימטי. בין המושבים ניתנו הרצאות כלליות, שהתייחסו לתהליכי החשיבה והפיתוח הביומימטיים.

כנס היסוד הישראלי הינו אבן דרך לכנס בינלאומי, שיתקיים בשנת 2014 ומטרתו לקדם שיתוף פעולה בין מוסדות המחקר בארץ ובעולם לקידום ולמינוף מחקרים ביומימטיים. אנשי מחקר ואקדמיה ממוסדות השכלה שונים, המעוניינים להצטרף לוועדת ההיגוי של הכנס הבינלאומי, מוזמנים לפנות אלינו בהקדם.

הכנס הוא צעד נוסף בהגשמת החזון של ארגון הביומימיקרי הישראלי לקידום תחום הביומימיקרי בישראל כמנוף לחדשנות טכנולוגית - סביבתית, ולמימוש הידע הישראלי בתחומי מדעי החיים, ההנדסה והיזמות.  

בהזדמנות זו אנו רוצים להודות למכון הטכנולוגי חולון על האירוח החם והארגון המקצועי, לועדת ההיגוי של הכנס וכמובן לכל המרצים והאורחים שבלעדיהם כנס זה לא היה יוצא לפועל.
לצפייה בהרצאות הכנס

ועדת תקינה בינלאומית בתחום הביומימטי

מאת: דפנה חיים לנגפורד

פעמים רבות אנחנו נתקלים במוצר, במחקר או בפרויקט ואנחנו לא בטוחים: האם הוא מתאים להגדרה של ביומימיקרי? האם מכונת דיאליזה היא מוצר ביומימטי? הורמון האינסולין? פסל של אריה? תהליך שיווקי? לשאלות אלה ואחרות אנו נדרשים על בסיס יומי, מכיוון שכמו בכל תחום הנמצא בצמיחה, ההגדרות והטרמינולוגיה עדיין אינם מבוססים דיים. מסיבה זו ומסיבות נוספות, הוקמה ועדת תקינה בינלאומית שתפקידה לכתוב תקן ביומימטי ISO/TC 266.

החודש (מאי 2013), התכנסה ועדת התקינה לפגישת עבודה שנייה בפאריז. ארגון הביומימיקרי הישראלי מייצג את ישראל ואת מכון התקנים הישראלי בוועדת תקינה זו, שיש בה נציגים גם מגרמניה, צרפת, בלגיה, יפן ודרום קוריאה.

מטרת וועדת התקינה לכתוב תקן כולל, שיעסוק ב (1) טרמינולוגיה ומתודולוגיה, (2) מבנים וחומרים, (3) אופטימיזציה ביומימטית ו- (4) מאגרי מידע רלוונטים. ישראל שותפה פעילה בקבוצות עבודה אלה.

אחד הנושאים השנויים במחלוקת שנדונו בוועדה, הוא נושא הטרמינולוגיה וההגדרות השונות בתחום. מינוחים שונים צצים ועולים בשנים האחרונות, וכל גוף מהגופים הפעילים בתחום הביומימיקרי מייחס הגדרות שונות למינוחים אלה. בין המינוחים שנדרשנו ללבן, ולתאם עבורם הגדרות נמצאים: ביוניקה Bionics, ביומימטיקה Biomimetics, ביומימיקרי Biomimicry, ביו-הנדסה Bioengineering, והשראה מהטבע Bioinspiration. בנוסף להגדרות, נדרשו חברי הועדה לפתח מנגנון מבדיל בין המצאות ביומימטיות לבין המצאות שאינן ביומימטיות. מודל זה פותח ונבחן על ידי חברי הועדה, ויפורסם עם סיום העבודה על התקן.

לסיכום – תחום הביומימיקרי מתפתח באופן מרשים ביותר, שותפים ראויים לחזון ולדרך מקדמים מחקרים רבים בתחום זה בכל העולם, והדיסציפלינה, שנמצאת בראשיתה, הולכת ומתפתחת בקצב ראוי לציון.

להדביק את הבעיה בכלי הדם

מאת: אופיר מרום

צדפות ימיות (marine mussels) נותנות השראה לטיפול יעיל בטרשת עורקים

אתרוסקלרוזה  (Atherosclerosis)היא הסוג הנפוץ ביותר של מחלת טרשת העורקים. המחלה מאופיינת ע"י עיבוי דפנות העורקים בעקבות שקיעת חומרים שומניים, כמו כולסטרול וטריגליצרידים, על דופן כלי הדם. הריבוד (פלאק) שמצטבר על דפנות העורקים פוגע באלסטיות שלהם, גורם לתגובה דלקתית וסותם אותם בהדרגה, מצב שיכול לפגוע באספקת דם תקינה ולגרום נזק בלתי הפיך למוח, ללב, לכליות, לגפיים ולאברים אחרים בגוף. בנוסף, חלקים מהפלאק יכולים להשתחרר מדופן העורק, וליצור חסימה של זרימת דם באזור אחר בגוף. המחלה מהווה את גורם התמותה העיקרי בעולם המערבי.

במקרים בהם יש צורך בהרחבה מכאנית של כלי הדם, עושים זאת בדרך כלל באמצעות ניפוח בלון. לרוב, נעזרים  בסטנט (Stent, תומכן), אשר עוזר לשמור את כלי הדם פתוח ולאפשר זרימת דם תקינה. בפיתוחים חדשים של תהליך זה משתמשים בבלונים, או בסטנטים מצופים בתרופות, כדי לטפל בסימפטומים הדלקתיים ולמנוע הצטברות חוזרת של הפלאק.

אז איך דבק שמייצרות צדפות יכול לעזור בטיפול באחת הבעיות הקליניות הנפוצות ביותר? אספקה יעילה של תרופות לאזורים ספציפיים בעורקים מוגבלת, בגלל העובדה שהתרופות נשטפות במהירות עם זרימת הדם. ד"ר קריסטיאן קאסטרופ (Christian Kastrup), מהאוניברסיטה של קולומביה הבריטית, סבור שהדבקת התרופות לדפנות העורקים יהיה הפתרון המושלם לבעיה זו. הוא מתכנן לעשות זאת בדיוק כפי שצדפות נדבקות לסלעים או לדפנות סירה, למרות הזרמים החזקים סביבם. 

התמונה באדיבות Janek Pfeifer

 הדבק, או ליתר דיוק ההידרוג'ל, הוא חומר סינטטי המחקה את האיכויות של דבק הצדפות. הג'ל, שמעורבב עם תרופות, נמרח על דפנות כלי הדם באמצעות קטטר טפלון ייחודי. בניסוי בעכברים נמצא שהג'ל טיפל באופן נקודתי בתגובה הדלקתית שיצר הפלאק, והוא עדיין היה במקומו כארבעה חודשים לאחר מכן, ללא חסימות וללא תופעות לוואי אחרות. יתרון בולט נוסף לשימוש בג'ל הדביק טמון בהורדת הסיכון להיווצרות שבץ או התקף לב, הנובע משחרור חלקיקים של הפלאק למחזור הדם. שכבת הג'ל האחידה מדביקה, למעשה, את הפלאק למקומו, ובכך מונעת התפוררות לא רצויה בזמן החדרת הקטטר או בפרק הזמן שלאחר מכן. ד"ר קאסטרופ מקווה שבעתיד יוכל הג'ל הדביק לשמש גם ליישומים אחרים, כמו מניעת התפשטותם של גידולים לא רצויים.  

הג'ל הדביק המתואר כאן הוא רק אחד ממגוון יישומים שפותחו על בסיס הבנת מנגנון ההדבקה של אורגניזמים ימיים. בתחומים רבים עולה הצורך בחומר דבק שיהיה עמיד בסביבה מימית, אך נטול חומרים רעילים. דוגמאות נוספת אפשר למצוא בצורת חומר להדבקת רקמות שיחליף תפרים, או פתרון דומה שנמצא מתאים לתעשיית העץ ומשמש בייצור לבידים.  האם לכם יש רעיון חדשני לשימוש בדבק כזה?

מקור הידיעה

עקרונות החיים – הקווים המנחים לקיימות בטבע (חלק שני)

מאת: מאיה גבעון

בחודש שעבר ערכנו היכרות עם מתודולוגיית עקרונות החיים – סט תבניות שפותח על ידי המכון האמריקאי לביומימיקרי , שאמור לסייע ולשמש כלי במהלך עבודת תכנון וחשיבה ביומימטית. כל אחד מעקרונות החיים מייצג דפוס חוזר, שזוהה על ידי חוקרים באורגניזמים ובמערכות שונות בטבע. הדפוס מרמז על אסטרטגיית הישרדות (=קיימות), שניצחה את מבחן הזמן, ולכן היא ככל הנראה אפקטיבית ומתאימה לתנאי הסביבה. העקרונות משותפים למגוון אורגניזמים.

השבוע נכיר שני עקרונות נוספים בסדרה.   

הטבע משלב התפתחות עם גדילה 

עיקרון זה מתייחס לאופן בו מתרחשים תהליכים של צמיחה פיזית והתפתחות בטבע.  מושם דגש על אבחנה בין גדילה, שהיא הגדלת המידות הפיזיות של האורגניזם או של חלקים ממנו, לעומת התפתחות, הכוללת את צמיחת התשתיות המאפשרות למערכת הגדלה לתפקד. שתי התופעות צריכות להתרחש במקביל ובאופן מבוקר ומאוזן, כדי לאפשר למערכת לתפקד באופן תקין.  לדוגמא, בעת צמיחתו של עץ, הוא משקיע משאבים הן בגדילה לאורך, לגובה ולרוחב, והן בפיתוח צינורות ההובלה שיאפשרו לחומרי ההזנה להגיע לאזורים החדשים של העץ. תהליך אחד ללא השני ייצור תוצאה בלתי תקינה, של עץ שאינו מתפקד. בהשלכה למערכות אנושיות, השלכת איזון נכון בין גדילה התפתחות יכול לסייע לפיתוח ערים, למשל: איך לפתח ערים ולהרחיב אותן, ובד בבד למנוע תופעות מוכרות של הזנחת מרכזי הערים ונדידת אוכלוסיה חזקה לפרברים.

מנגנונים תחת עקרון זה כוללים:

1.      שילוב מרכיבים מודולריים: רוב החיים בנויים מיחידות בסיס פשוטות, המתחברות זו לזו בדרכים שונות. המגוון והמורכבות הרבים הקיימים בטבע נוצרים בזכות מגוון אינסופי של צירופים. לדוגמא:

4 בסיסי יסוד מרכיבים את הד.נ.א, והם מהווים קוד ל-22 חומצות אמיניות, שמרכיבות אלפי חלבונים שונים.

2.      הטבע בעל יכולת התארגנות עצמאית: הטבע יוצר את התנאים האופטימליים על מנת שהמרכיבים יוכלו להגיב זה עם זה וליצור מבנים, רקמות, אברים ואורגניזמים מורכבים – לרוב ללא "גוף אחראי". האצות הראשונות למשל, נוצרו משיתוף פעולה שהחל להתרקם בין יצורים חד תאיים שהתקבצו יחד, התחילו לשתף משאבים זה עם זה, "גילו" שזה יעיל ובהדרגה התחילו להתמיין ולהתמחות בתפקידים שונים. בתי גידול אקולוגיים הם תוצאה של מינים רבים שהתארגנו יחד, והתוצאה היא מערכת, שהיא מורכבת ועשירה יותר מסך מרכיביה. בתהליכים אלה אין, בשום שלב, גוף יחיד המפקח או המנהל את התהליך.

3.      תהליכי ייצור “bottom up”– שיטת ייצור bottom up  נפוצה מאוד בתהליכי ייצור אנושיים. בייצור המוני, נוצר משטח חומר זהה ממנו נגזרות הצורות הרצויות, תהליך הגורם לבזבוז רב של חומר. בניגוד לאדם, עץ אינו מייצר משטח גדול ואז גוזר ממנו עלים. כל עלה נבנה מחדש תא אחר תא, ובאופן זה נחסכים משאבים רבים ואין שאריות מיותרות.

תהליכי ייצור ידידותיים לחיים

התהליכים הכימיים בטבע תומכים בתנאי החיים: הם עושים שימוש אופטימלי באנרגיה ובמשאבים,  אינם יוצרים חומרי לוואי שהמערכת הטבעית אינה יכולה להשתמש בהם, ואינם גורמים נזק. לעיתים קרובות, מוקנות תכונות לאורגניזם על ידי המבנה, ולא על ידי שימוש בחומר. לדוגמא: צבע פיזיקלי הנובע משכבה חיצונית הגורמת להחזרת אור – במקום שימוש בפיגמנטים (קיים במיני ציפורים שונות וכן בפרפרים ובחרקים אחרים). יכולת הדבקה, המוקנית על ידי מבנה המעודד אלפי קשרים פיזיקליים חלשים ברמה המולקולרית (כפי שמתרחש בין רגלי הלטאה לקיר) – במקום שימוש בדבק.

מנגנונים המשתייכים לעקרון זה כוללים:

1.      פירוק תרכובות למרכיבים בלתי מזיקים – בטבע, חומרי לוואי, שאריות ותוצרים של תהליכים מתפרקים לאותם היסודות, או לחומרי המוצא הפשוטים, אשר יחזרו למעגל החומר והם אינם גורמים נזק.

רעל הוא חומר שהמערכת אינה יודעת להתמודד איתו כחלק מהתפקוד השוטף שלה, והצטברותו מפריעה למערכת ומזיקה לה. אורגניזמים מייצרים לעיתים חומרים רעילים (טוקסינים) בכוונה תחילה, למטרה מסוימת, ובכמויות מוגבלות. גם תרכובות אלה, כשהן משוחררות לסביבה בסופו של דבר, מתפרקות באופן טבעי, ללא השקעת אנרגיה, לחומרי יסוד בלתי מזיקים. לדוגמא, ארס של נחש קטלני לטרף שלו. אבל לאחר שהנחש השיג את מטרתו, והנחש מעכל את הטרף, הארס מתפרק בגוף הנחש ואינו מזיק לו. להבדיל, חומרי הדברה, הנפוצים בשימוש האדם, לרוב אינם מתפרקים באופן טבעי, אלא מצטברים בתוך המערכת האקולוגית ויוצרים נזק נוראי.

2.      כימיה על בסיס מים. כל התהליכים הכימיים בטבע מתרחשים בסביבה מימית. לא רק זאת, אלא שלרוב יהיו תנאי הייצור בתוך גוף חי, בטמפ' גוף קבועה, בתנאי לחץ נמוך ובחומציות מסוימת. למרות המגבלה בתנאים, לכאורה, מצליח הטבע ליצור מגוון רחב ביותר של חומרים שונים בתוך גוף חי: שיניים, עצמות, שנהב, נוצות, שיער, קורי עכביש (חזקים פי 6 מפלדה), פנינים ועוד.

3.        הטבע בונה באופן סלקטיבי, תוך שימוש במבחר מצומצם בלבד של יסודות. פחמן, חמצן, מימן וחנקן (המסומנים על פי סימני היסודות בטבלה המחזורית COHN), מרכיבים את רוב החומרים החיים. בנוסף, משתתפות בתרכובות, בכמויות מזעריות, גם מתכות שונות, כגון: זרחן, מגנזיום, סידן, ברזל, נחושת ואבץ.  אנחנו, לעומת זאת, משתמשים בכל יסודות הטבלה המחזורית, כולל בכאלה שאינם נמצאים בטבע באופן טבעי, ואף מוסיפים אלפי תרכובות כימיות סינטטיות חדשות בכל שנה למדפים. חלקן מתגלות כמסוכנות לאדם ולסביבה  וחלקן אינו פריק ויישאר כאן הרבה אחרינו.

עקרונות החיים יכולים לשמש כלי תכנוני, וכן כלי רב עוצמה בעת שיפור מוצרים ושכלולם, כמו גם שכלול שירותים ורעיונות קיימים. אפשר להיעזר בהם כאמת מידה, ולאחר הרעיון הראשוני לבדוק את עצמנו, האם הפתרון שחשבנו עליו יוכל להתקיים בטבע? אם הוא אינו מתאים לעקרונות החיים, סביר להניח שפתרון כזה לא היה שורד לאורך זמן, וכדאי לחזור לשולחן השרטוט / לסיעור מוחות...