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 ספטמבר 2017

קוראים יקרים שלום,

החודש נסקור חדשנות ביומימטית באוויר עם מגוון מזל"טים בהשראת הטבע, נדווח על דבק רפואי ביומימטי חדש שאושר לשימוש, נרחיב על תהליך של חדשנות ביומימטית שהביא לשיפור מרשים של תהליך יצור, ונסיים בשיטה ביומימטית חדשה לייצור דפוסים אופטיים בהשראת העור הקורן של דגים.

בתי ספר המעוניינים ללמד את תחום הביומימיקרי בשנת הלימודים הבאה מוזמנים לפנות למייל: info@biomimicry.org.il

בברכת שנה טובה וחתימה טובה,

שנת השראה ומעשה,

צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי

אם זה ממריא כמו ברווז וצולל כמו ברווז... אז זה כנראה מזל"ט!?

מאת: עמיר ויס

כלים זעירים המסוגלים לפעול הן באוויר והן במים בהשראת עופות ים וחיות ימיות

בטבע קיימים בעלי חיים היודעים להתאים את תפקודם לתנאים סביבתיים שונים, ומסוגלים לעבור ביעילות בין סביבות מובחנות. כך למשל, הדיונון הענק משגר את עצמו מן המים לאוויר באמצעות סילון מים; הסלמנדרה מסוגלת ללכת על היבשה ולשחות במים. בהשראת הטבע, מפותחים כיום מוצרים הנדרשים לפעול בתנאים סביבתיים שונים, ולהתאים את עצמם למעברים בין סביבות, למשל, מעבר בין אוויר למים, יבשה לאוויר, או מים ליבשה.

סביבה של מים וסביבה של אוויר שונות מאוד זו מזו; התכונות המאפיינות כל סביבה, למשל, צפיפות, טמפרטורה, לחץ, וכד', מציבות אתגר בפני הבאים לפתח כלי המסוגל לעבור ביעילות בין אוויר למים ולהפך, ולתפקד היטב בשתי סביבות אלו.

חוקרים מאוניברסיטת שרברוק (Sherbrooke) שבקנדה פיתחו מזל"ט קבוע-כנף (SUWAVE)   Sherbrooke University Water-Air Vehicle, הממריא מאגמים ונוחת בהם בתהליך שתוכנן בהשראת עוף המים מלארד (Mallard duck). מטוס קבוע-כנף יעיל לשיוט ולשהייה ממושכת באוויר, אך לרוב הוא מחייב תשתית תומכת להמראה ולנחיתה. לעומת זאת, מזל"ט ה-SUWAVE  תוכנן כך שהוא נוחת "נחיתת אונס" מבוקרת על משטח מים. המזל"ט נטען באנרגיה סולארית כאשר הוא צף על המים, וממריא ממשטח המים באמצעות מנגנון מכני ייחודי: החלק המרכזי של גוף המזל"ט מכיל ציר אשר בצידו האחד סוללה ובצידו השני מדחף. הטיית הציר גורמת להטיית גוף המזל"ט ולהוצאת המדחף מהמים. לאחר מכן מנוע המזל"ט מופעל, והציר מתיישר עם המזל"ט בכיוון הטיסה.
 



חוזק המבנה של המזל"ט ומימדיו הקטנים – משקלו 580 גרם – מאפשרים לו לעמוד בנחיתה האגרסיבית אך המבוקרת. המזל"ט תוכנן גם להיות עמיד במים ובעל כושר ציפה.

מזל"ט אחר, AquaMAV – Aquatic Micro Air Vehicle, פותח על ידי צוות חוקרים ב Imperial College of London . זהו כלי טיס הצולל לתוך מקור מים בהשראת יכולות הצלילה של עופות ים, מניע את עצמו לפעולה מתחת למים, ולאחר מכן חוזר לטוס באוויר. אפשר יהיה להשתמש בכלי כזה בעתיד לשיגור מצוללת ולחזרה אליה בתום המשימה.

גם ה AquaMAV הוא כלי קטן: משקלו כ-200 גרם ומוטת כנפיו היא של 60 ס"מ. לכן, הוא מסוגל לצלול למים מבלי להינזק מעוצמת הפגיעה במשטח המים. בעת הצלילה מתקפלות הכנפיים לאחור ב-90 מעלות, בדומה לאופן שבו עופות ים צוללים למים.

על מנת לפתח את יכולותיו של המזל"ט להמריא מן המים לאוויר, חקר הצוות את הדיונון המעופף,  Oceanic Flying Squid ,  המשגר עצמו לאוויר ע"י הזרקה לאחור של סילון מים. בהשראת הדיונון, הותקן במזל"ט זה מיכל לחץ המכיל CO2 המשמש לשיגור הכלי אל מחוץ למים.

 
 
צוות נוסף של מעבדת מחקר רובוטית ב  Johns Hopkins Applied Physics Laboratory, פיתח כלי זעיר קבוע-כנף UAAV - Unmanned Aerial-Aquatic Vehicle, המונע באמצעות מערכת הנעה יחידה המשמשת אותו גם באוויר וגם במים. כלי זה עובר מן המים לאוויר בהשראת יצור מימי נוסף - דג מעופף - המאיץ עצמו בתוך המים, ואז מזנק לאוויר ומשתמש בסנפיריו הארוכים ככנפיים לדאייה.

כלים אלו נועדו לעריכת מחקר ימי על ידי צילום או איסוף דגימות מתוך המים ועיבודן.


 

דבק רפואי ביומימטי אושר לשימוש


מאת: דפנה חיים-לנגפורד

החודש, החברה הצרפתית  Gecko Biomedicalקיבלה אישור מכירה באירופה לדבק רפואי ביומימטי. החברה הוקמה בשנת  2013על ידי פרופ' Karp, בשיתוף עם בוגרת המעבדה שלו Maria Pereira. Karp, מהנדס מכונות בהכשרתו, יזם ביומימטי סידרתי המקדיש חלק ניכר מזמנו ומזמנם של 25 החוקרים במעבדתו לפיתוחים ביומימטיים בתחומים שונים.
 אחד הנושאים המעסיקים את Karp וצוותו הוא דבקים רפואיים. אחד האתגרים המשמעותיים בכירורגיה הוא לא איך לחתוך, אלא בעיקר איך מחברים מחדש. אומנם ניתן לתפור ולשדך ולעיתים גם להדביק, אך כשמדובר בכלי דם פעיל או בהשקות של חלקים במערכת העיכול, דליפה ממקום החיבור יכולה להוביל למוות. מספר חברות מתמודדות עם האתגר ומפתחות דבק יעיל לסביבה רטובה. ביניהן סילנטיס ולייף בונד הישראליות שכבר סיפרנו עליהן בעבר.
לאתגר הזה נגשו Karp ו-  Pereira אחרי ששמעו על הקושי הרב בהדבקה של כלי דם לבביים לאחר ניתוחי לב בילדים. המטרה הייתה לפתח דבק יעיל בסביבה רטובה, שלא יישטף בזרם הדם, שיעמוד בכוחות הנגזרים מזרימת הדם ושניתן להביא אותו למקום ההדבקה בצורה זעיר פולשנית.

החוקרים החלו לחפש פתרונות מממלכת החי ובין היתר חקרו דבקים של חלזונות, חשופיות ורכיכות ימיות שונות. במהלך החיפושים הם קראו מאמר על תולעים בשם Sandcastle worms. תולעים אלה, כך מסתבר, חיות במים רדודים בחופי קליפורניה ובונות לעצמן בתי מחסה משאריות של חול וצדפות באמצעות חומר צמיגי אותו הן מפרישות. נמצא שהחומר הזה, בנוסף על היותו צמיג ודביק, הוא הידרופובי ולכן מגן על בתי המחסה שלהן מהגלים.
                                        
                           Sandcastle worms   - באדיבות אוניברסיטת יוטה
 
במהלך שנות המחקר, החוקרים בחנו את הדבק הצמיגי המופרש על ידי התולעים, סנתזו אותו במעבדה בצורה מלאכותית ובחנו רמות הדבקה וצמיגות שונים. חלק מהתוצרים היו דלילים מדי ולא מספיק דביקים, חלק מהתוצרים היו דביקים מדי ולכן לא נמרחו בקלות על הרקמה.
במהלך הניסיונות, הסתבר לחוקרים שלא די בעובדה שהדבק "יושב" על הרקמה, יש למנוע מבועות אויר או דם לדלוף דרכו. על מנת ליצור הדבקה מושלמת, פרופ' Karp חקר כיצד הקיסוס שולח קנוקנות לעבר קירות בתים ורק כשהקנוקנות נוגעות בקיר, מופרש דבק ביולוגי שמקבע את הצמח למבנה. שימוש בטכנולוגיית ההצמדה בהשראת הקיסוס בשילוב עם הדבק בהשראת התולעים הוביל לתוצאות ההצמדה הטובות ביותר מאחר והוא יצר הדבקה לא רק בין שני משטחים חלקים, אלא גם בדומה לקיסוס הדבקה כשפני השטח לא אחידים.
כל אחד מהדבקים שיוצרו במעבדה נבדק על רקמה מהחי ואז בחיית מודל לפני שהחוקרים הרגישו מספיק מוכנים לנסות את הדבק בניסויים קליניים בבני אדם. תחילה לצורך קבלת אישור ה CE למכירת הדבק הרפואי באירופה, הדבק נוסה על כ 36 אנשים שעברו ניתוחים בכלי דם בארבעה בתי חולים בצרפת וכעת החברה מתכננת לבצע ניסוי נוסף בארה"ב לצורך קבלת אישור ה FDA למכירתו גם בארה"ב.

 

תלת ממד וביומימיקרי: חברת Harback

מאת: יעל הלפמן כהן

תבניות יציקת פלסטיק בעלות גיאומטריה המחקה תהליכי קירור בטבע מדגימות שיפור ניכר בזמני המחזור של היציקה עקב תהליכי קירור יעילים יותר.
 
הדפסת תלת ממד מזוהה כאחת מהטכנולוגיות שישנו את עתידנו. בעבר כבר עסקנו בפוטנציאל הרב הגלום בטבע ובגישה הביומימטית בפתרון אתגרים מרכזיים בתחום הדפסת תלת הממד בכלל, ובתחום הייצור בפרט. בידיעה זו נסקור תיאור מקרה מעניין העוסק בפתרון ביומימטי המשולב בהדפסה תלת ממדית לפתרון מקיים ויעיל של בעיית קירור בתהליכי יצור של תבניות.

חברת  Harbackהיא חברה אמריקאית העוסקת בייצור חלקי פלסטיק. החברה מייצרת תבניות בשיטת

DMLS(Direct Metal Laser Sintering), הדפסת תלת ממד תוך שימוש בלייזר להמסת אבקת מתכת המשמשת "להצמחת" שכבה אחר שכבה. לאחר שהפלסטיק מוזרק לתבנית, ניתן להוציא את החלק רק לאחר שהתקרר, ומכאן החשיבות הרבה לשילוב טכנולוגיית קירור, שתאפשר הקטנת זמני המחזור, תוך שיפור היעילות הייצורית והתשומה האנרגטית הדרושה לקירור.

בשיטת הקירור המקובלת המכונה Conformal cooling מייצרים קווי קירור כחלק מקווי המתאר של התבנית. קווים אלו מאפשרים קירור מהיר יותר ועקבי יותר בחלקים היצוקים, הם מגבירים את שטח הפנים המקורר ואף מספקים קירור לחלל התבנית הפנימי.

חברת  Harbackבעלת חזון מקיים ומודעות סביבתית, זיהתה צורך בשיפור התכנון הנוכחי של קווי הקרור בתבניות ההזרקה, על מנת לשפר את ביצועי הקירור, להקטין את זמני המחזור, ולחסוך באנרגיה הדרושה ליצור יחידת פלסטיק. החברה פנתה לטבע ויישמה את הגישה הביומימטית בתכנון מחודש של התבניות במטרה  לייצר תבניות המשלבות עקרונות גיאומטריים של מערכות קירור בטבע. בשלב ראשון, בחנה Harback מבנים של מערכות קירור טבעיות דוגמת תעלות קפילריות בצמחים, תעלות אוורור בקיני טרמיטים, עורקים באוזני בעלי חיים הפועלים כרדיארטורים, ועורקים בעלים. החברה בחנה את יעילות פיזור החום והנוזלים במערכות טבעיות אלו. החברה בחרה להתמקד במבנה העורקים של עלים ממשפחת הדו-פסיגיים ותכננה תבנית המחקה מבנה עורקים זה. בתרשים המצורף ניתן לראות את השינוי במבנה תעלות הקירור בתבניות. תבנית 4  היא התבנית הביומימטית שתוכננה בהשראת מערכת העורקים של העלים ממשפחת הדו- פסיגיים. התמונה באדיבות חברת Harback
 
 

בניסוי שנערך נבחן זמן הקרור של חלק יצוק בתבנית הביומימטית בהשוואה לזמן הקרור של אותו חלק בתבניות האחרות . נמצא  שיפור של 20%  בזמני המחזור של ייצור החלק בתבנית הביומימטית !

נראה כי יש כאן שילוב מנצח בין ביומימיקרי (יישום עקרונות פיזור חום מן הטבע) וטכנולוגית תלת הממד לייצור התבנית DMLS, שילוב המאפשר ייצור תבניות המיישמות את העקרונות הגיאומטריים שנלמדו מהטבע. 

חברת Harback מדווחת כי תהליך החדשנות ארך כשנה וחצי של שת"פ עם גופים נוספים דוגמת NYSERDA, Cornell, RIT, Terrapin Bright Green,


 

עור דג בוהק מהווה השראה למחזירי אור ננומטרים

מאת: אור עמר 


העור הקורן של דגי ribbonfish , מחזיר אור לאורך טווח רחב של אורכי גל ומעניק להם מראה מתכתי מבריק. החזרת האור היא תוצאה של שכבות עור מגובבות של תרכובות אורגניות גבישיות, המוטמעות בציטופלזמה של העור. לאורגניזמים מסוימים עם ברק מתכתי יש שכבות שנערמות בדפוס רגיל, בעוד שאצל אחרים וביניהם דגי ה- ribbonfish, דפוס השכבות מוגדר כ"כאוטי" או אקראי. צוות מחקר מאוניברסיטת פנסילבניה שיער שהדפוס הוא לא אקראי לחלוטין, ופיתח אלגוריתמים מתמטיים לחיקוי הדפוס.  

 



 

צוות החוקרים השתמש בגאומטריה פרקטלית לתיאור תהליך יצירת השכבות במבנה הביולוגי של הדגים. פרקטלים נקראים גם "הגאומטריה של הטבע" כיוון שהם יכולים לתאר את הדפוסים הלא רגילים אך עם זאת הדומים לעצמם, המתרחשים בעצמים טבעיים כמו ענפי עץ. החוקרים השתמשו בפרקטל חד-מימדי הידוע כפרקטל פס קנטור שהוא למעשה קו מופרד על ידי רווחים או פערים. לרוב, פרקטלי פס קנטור נראים רגילים מאוד, אך כשמופעלים שינויים אקראיים לגאומטריה, נוצר דפוס מורכב יותר. הדפוס מדמה את יצירת השכבות מחזירות האור הנמצאות בעורם של דגי. Ribbonfish החוקרים השתמשו גם בדרך חישובית נוספת שלוקחת השראה מהטבע ונקראת "אלגוריתם גנטי" אשר מחקה אבולוציה דארווינית על מנת ליצור דורות רציפים של דפוסים פרקטליים מדפוסי האב הפרקטליים. לאחר כ 100 דורות, הדפוס מתכנס לעיצוב האידיאלי העונה לכל דרישות היעד.
תוצאת המחקר היא שיטת ייצור של דפוסים אופטיים  בטווח ספקטראלי נרחב. על פי דבריו של פרופסור להנדסת חשמל, דגלאס וורנר (Douglas Werner), טכניקה כזאת עשויה להיות מיושמת בפיתוח מחזירי ומסנני אור בספקטרום תדרים רחב ליישומים שונים ובהם  - ציפוי אופטי לזכוכית, הגנה מלייזר, מערכות דימות אינפרה-אדום, מערכות תקשורת אופטיות, מערכות סולאריות ועוד.

המחקר דווח בירחון המדעי "Journal of the Royal Society Interface" ונתמך על ידי מרכז הקרן הלאומית למדע שבאוניברסיטת פנסילבניה.
 מקור

חדש(נ)ות מהטבע אוגוסט 2017

קוראים יקרים שלום,
בידיעון אוגוסט אנו גאים לספר על שני מחקרים ישראלים: רובוט זוחל שמפותח באוניברסיטת באר-שבע ורחפן מעופף שנחקר בטכניון. עוד נספר גם על טכנולוגיה ביומימטית שפותחה בחברת פרקר כמענה לצורך בחומר עמיד לתנאי עבודה מאתגרים.

בתי ספר המעוניינים ללמד את תחום הביומימיקרי בשנת הלימודים הבאה מוזמנים לפנות למייל: info@biomimicry.org.il
דקה לפני פתיחת הלימודים, אנו מאחלים לילדים שנת לימודים מהנה, בטוחה ומלאת השראה,
קריאה מהנה,
צוות ארגון הביומימיקרי הישראלי

זחילה רובוטית

מאת: זיו כהני


פעמים רבות אנחנו מספרים לכם על פיתוחים והמצאות ביומימטיות מהאקדמיה ומהתעשייה מעבר לים. הפעם אני שמח לקחת אתכם לבאר-שבע, למחלקה המכנית של אוניברסיטת בן-גוריון שבנגב*, שם צוות של סטודנטים פיתח רובוט, בהשראת זוחלים.

לאורך השנים, בוצעו מחקרים רבים בתחום חיקוי רובוטי של זוחלים, בעיקר עבור אפליקציות בתחום התחזוקה והרפואה. במקרים אלו, בעיקר בתחום הרפואה, יש צורך במימדים מזעריים, ולכן נדרש לעשות שימוש במספר קטן ככל האפשר של רכיבים. בנוסף, יש צורך לבצע התאמות של מקדמי החיכוך של הרובוט מול המשטחים עליהם הוא מיועד לנוע.
הרובוט מבאר-שבע מבוסס על מערכת הנעה, שמקנה לו יכולת תנועה גלית רציפה- קדימה ואחורה. הרובוט מתוכנן באופן מינימליסטי, ובין השאר מתבסס על מנוע יחיד. הסטודנטים פיתחו מודל קינמטי, שמייצר תנועה מכנית דו-מימדית של החוליות המבניות, שנובעת מהתנועה הסיבובית של המנוע. בהתבסס על אילוצים מכניים הסטודנטים פיתחו למעשה מספר גרסאות בגדלים שונים, כאשר מידותיו של הדגם הקטן ביותר הן: אורך:12ס"מ, רוחב:3ס"מ, משקל:30גרם.
התיכנון המינימליסטי הוא שמאפשר את הקטנת הממדים של הרובוט מבחינת משקל וצריכת הדרושה להפעלתו, ולשיפור באמינותו תוך שמירה על עלויות נמוכות. הרובוט גם קיבל שם הולם, מבוסס על הקונספט של תכנונו - SAW Single Actuator Wave.
ה-SAW כולל 4 מכלולים עיקריים- המנוע, בסיס המנוע, החוליות והסליל (על פיו נעות החוליות), כאשר המנוע מחובר מצד אחד לבסיסו ומצד שני לסליל. החוליות מחוברות לבסיס המנוע (שמהווה גם למעשה את השילדה הקשיחה של הרובוט). במבט מהצד, תנועת חוליות הרובוט, שזזות כפי שהסליל מאלץ אותן, תראה למעשה כמו הטלה של תנועה קווית דו-מימדית שניתן לראות מסיבוב סליל. למעשה- מהצד התנועה נראית כפי שמתנהג גרף מתמטי מסוג סינוס. תנועה מסוג זה, מאפשרת לרובוט לנוע גם על פני משטחים לא ישרים.
לא נלאה אתכם כאן באוסף החישובים הגדול אותו בצעו הסטודנטים בתחום התנועה- גלים, תדרים ואמפליטודות. אבל בפועל, הגרסאות השונות של הרובוט, שיוצרו בעיקר מחלקים שהודפסו במדפסת תלת-מימד, שמרו על רמת אמינות גבוהה. הצלחת הפיתוח הוכחה כשהביצועים של הגרסאות של הרובוט הציגו מדידות קרובות מאד לחישובים והמודלים התיאורטיים. הרובוט, בגרסתו הגדולה ביותר הצליח להגיע למהירות של 57 ס"מ/שניה (יותר מחצי מטר בשניה!) על פני משטח ישר, ואפילו הצליח לטפס על משטח ורטיקלי, כאשר מוקם בין שני קירות במהירות של מעל 8ס"מ/שניה.

*       גילוי נאות- גם אני בוגר המחלקה הזו באוניברסיטת באר שבע.
      מקור הידיעה