ביומימיקרי

מהו הביומימיקרי?

בשנים האחרונות לומדים המדענים והמהנדסים שבניגוד לנסיון להמציא בעצמנו פתרונות לכל הבעיות של האדם, יתכן שעלינו פשוט להביט מסביב. במילים אחרות, אנו מוקפים בפתרונות לבעיות שונות, שמישהו כבר מצא בעבר. אגב, המישהו הזה הוא ממש לא האדם - הוא האבולוציה!

דוגמאות? - הפתרונות של הטבע נמצאים מסביבנו. מצמחים או עלים ניתן ללמוד כיצד לשפר את מערכות הפצת המים שאנו בונים. מחקר של דגים מעופפים ושפיריות יכולים לסייע לשיפור האווירודינמיות של כלי תעופה ורכב, מצמחי מים ניתן ללמוד כיצד ליצור בדים אטומים למים וכך הלאה. אבל בתגית "ביומימיקרי" תוכלו לראות עוד דוגמאות רבות למוצרים שנולדו מתצפית ולמידה של הטבע.

ביומימיקרי (Biomimicry) או ביומימטיקה, הם שמות שונים לתחום דעת אחד וחדש, העוסק בחיקוי של הפתרונות שבטבע. פתרונות כאלה יכולים לסייע לתכנון ופיתוח של מערכות טכנולוגיות חדשות. הוכחות רבות כבר ניתנו לכך שבאמצעות שיטות תכנון וכלים מהתחום הביומימטי, ניתן לפתור בעיות. הפתרונות יהיו בהרבה מקרים טובים יותר מאשר להמציא בעצמנו את הגלגל, בכל פעם מחדש. האבולוציה, אתם יודעים...

בשנים האחרונות חיקוי הטבע שולט. הביומימיקרי, או בשמו הנוסף "ביומימטיקה", הוא תחום חדש שמתפתח במהירות בעולם האקדמי והעסקי. רבים רואים בו מנוע חדשנות ובסיס אפשרי להתקדמות טכנולוגית ומדעית עצומה. גם עולם החינוך מוצא טעם רב בהנחיית תלמידים לצפות בטבע ולחשוב מה ניתן ללמוד ממנו, לפתרון בעיות אנושיות.

הנחת היסוד הביומימיקרית היא שלמרבית הבעיות שבהן נתקל המין האנושי ישנם פתרונות שכבר ניתנות בטבע. ככל שייווצר שילוב בין הידע האנושי לבין הפתרונות שנוצרו במהלך האבולוציה בטבע, ניתן יהיה למצוא פתרונות חדשניים לבעיות לא פשוטות. חלקן מלווה את האדם כבר עשרות אלפי שנים ויתכן שאימוץ גישת הביומימיקרי הייתה יכולה כבר מזמן לייצר פתרונות. בכל מקרה, ברור שפתרונות כאלה יוכלו גם להיות ברי-קיימא ולשמור על הסביבה, המשאבים והמערכות האקולוגיות שמסביבנו, טוב יותר.

אגב, המושג "ביומימיקרי" בא מהמשמעות של "חיקוי החיים". "ביו" פירושו "חיים" ו"מימיקרי" נגזר מהמילה "מימזיס" שטבע אריסטו והמשמעות שלה "חיקוי".

הנה עולם הביומימיקרי (עברית):

https://youtu.be/4vcMLcNFKn0

סיפורו של התחום (מתורגם):

https://youtu.be/iMtXqTmfta0

הסבר של מדען ודוגמאות לפיתוחי ביומימיקריה:

https://youtu.be/pYqLseKuHq4

כך מסייעת הביומימיקרי לשיפור מערכות צנרת וביוב:

https://youtu.be/FBUpnG1G4yQ

כך לומדים מזחל את התנועה הנכונה למערכות מלאכותיות:

https://youtu.be/lCRD2DMRaMQ

מצגת וידאו של תלמיד על המכונית של מרצדס שנעשתה בלימוד מדג הקופסינון (עברית):

https://youtu.be/SQtRVADmHZ4

הרצאת טד נהדרת על הביומימיקרי (מתורגם):

https://youtu.be/k_GFq12w5WU?long=yes

והנה סרט תיעודי קצר על הקשר בין הטבע לפיתוחים בתחום הננוטכנולוגיה (מתורגם):

https://youtu.be/4b7Nu_loOYA?long=yes

מתי נולד הביומימיקרי ואיך הוא התפתח?

ביומימיקרי (Biomimicry), בעברית "חיקוי החיים", כמו גם המושג המקביל והזהה "ביומימטיקה" (biomimetics), הם מונחים מודרניים במדע ובטכנולוגיה. אבל הלמידה מהטבע או החיקוי שלו, הם דברים ששורשיהם נעוצים עוד באדם הראשון, האדם הקדמון. אז למדו מהטבע דברים פשוטים, כמו ציד, ליקוט, הגנה מהגשם וכדומה.

במהלך ההיסטוריה מעריכים החוקרים שיש סבירות שההמצאה החשובה בהיסטוריה, הגלגל, נולדה כך גם היא. אמנם איננו יודעים כיצד נולד הגלגל, אבל יש השערה שאת המצאתו אנו חייבים לחיפושיות זבל, שאדם קדמון כלשהו התבונן בהן וראה כיצד הם יוצרות מפסולת זעירה כדור זבל ענקי וכבד יחסית לגודלן וכוחן וכך מגלגלות אותו בקלות אל הקן.

אותו ממציא קדמון הבין שאם יוכל לשחזר את הרעיון לגלגלים כאלו, יוכלו הוא וחבריו להעביר משאות כבדים ומסורבלים ממקום למקום, בדיוק כמו חיפושית הזבל המעבירה כך ממקום למקום משא כה כבד. אם כן, מדובר בביומימיקרי קדום במיוחד, שהשפעתו על העולם ובהיסטוריה היא בלתי נתפסת.

המדען החלוץ והבולט שקישר בין הטבע להנדסה ולמדע היה ליאונרדו דה-וינצ'י, שהירבה להשתמש בטבע כמקור השראה וידע הנדסי.

בשנת 1997 התפרסם הספר "ביומימיקרי: חדשנות בהשראת הטבע". בספר זה נכנס המושג ביומימיקרי לתודעה ובעקבותיו זכה להכרה אקדמית וציבורית כתחום מדעי. הטענה המרכזית בו היא ש-3.8 מיליארד שנים של אבולוציה יצרו פתרונות מדהימים לרבות מהבעיות שעמן מתמודד המין האנושי. שלל "הצלחות" אבולוציוניות החליפו במהלך תקופה ארוכה זו "כישלונות" שנעלמו

כיום מספק הביומימיקרי יתרון לחוקרים העוסקים באימוץ של פתרונות טבעיים לבעיות מגוונות בתחומי התכנון, ההנדסה, העיצוב והמדע.

(Video) Professor Ashok Adya - The Nanotechnology Revolution

אחת התופעות המרשימות בעשורים האחרונים היא של מדענים ומהנדסים, המפתחים מכונות ורובוטים בחיקוי של צורות, תהליכים, מבנים ומערכות טבעיות שלמות, הקיימים כולם בטבע.

הטבע לפי גישה זו ניתן לראות כ"מחסן מלא" בפתרונות, רעיונות, חומרים, מבנים ותהליכים סביבתיים ברי-קיימא, המאפשרים ללמוד מהם ולקבל השראה לפתרון בעיות.

הנה הרעיון הבסיסי של הביומימטיקה והביומימיקרי (עברית):

https://youtu.be/g8VJSZz4aIs

עבודות של סטודנטים שמדגימות זאת (עברית):

https://youtu.be/Dg053BGv8DM

דברים שאפשר ללמוד מהטבע:

https://youtu.be/pYqLseKuHq4

איך גילה ג'נר את החיסון נגד אבעבועות שחורות?

פיתוח החיסון נגד אבעבועות שחורות (Smallpox) הוא סיפור של תגלית אקראית, שכולו דוגמה לתושיה ולאומץ של רופא חוקר שגילה דבר במקרה וזיהה בו את התרופה למחלה איומה ומדבקת, שקטלה במהלך הדורות מאות מיליוני בני אדם.

זה סיפורו של רופא כפרי בריטי בשם אדוארד ג'נר (Edward Jenner). הוא הבחין בתופעה מעניינת, שלא נראתה לו סתמית. הוא שם לב שנערות שעבדו בחליבת פרות, היו נדבקות לפעמים באבעבועות הפרות, מחלת עור קלה יחסית שאינה מסכנת חיים. אבל מה שמשך את תשומת ליבו הייתה העובדה שאותן הנערות שנדבקו באבעבועות הפרות, לא נדבקו באבעבועות שחורות. זאת על אף שמגפת האבעבועות שחורות פגעה בהרבה אנשים בסביבתן.

ג'נר חקר את התופעה במשך יותר מעשרים שנה. התעוזה והבטחון שלו בשיטה המדעית הביאו אותו במהלך המחקר לניסוי נועז מאין כמותו. הוא הדביק את בנו בגרסה קלה של אבעבועות הפרות ולאחר כמה חודשים הזריק לו את נגיף האבעבועות השחורות. לשמחתו הרבה, ג'נר אימת את עמידותו של הילד בפני המחלה. הוא המשיך ובדק את השיטה וחיסן עוד מספר ילדים נגד אבעבועות שחורות.

התגלית שהוא גילה והוכיח בניסוייו היא שלאחר ההידבקות באבעבועות הפרות, הגוף מחוסן גם כנגד אבעבועות הפרות, אבל גם כנגד אבעבועות שחורות, מחלה קשה הרבה יותר ומסכנת חיים של ממש.

ג'נר הוכיח שזה נובע מכך שהנגיף שגורם לאבעבועות הפרות הוא מאותה המשפחה של הנגיף שגורם לאבעבועות שחורות. כך התגבר החיסון הצולב שגילה ג'נר על אחת המחלות האיומות בתולדות האנושות.

הרופא והחוקר החכם הזה הבין עתה שלאחר דורות רבים של קטל מהמחלה האיומה בהיסטוריה, יש בידיו סוף סוף את הנשק הרפואי שיחסל אותה. יש לו חיסון מוכח ויעיל נגד אבעבועות שחורות.

אבל למעשה פיצח ג'נר משהו הרבה יותר גדול. הוא גילה את הזיכרון החיסוני של הגוף והניח את הבסיס המדעי לעולם החיסונים כולו. הוא היה החלוץ של מדע האימונולוגיה.

בשנת 1979, לאחר מספר שנים שבהם לא התגלה אף מקרה של אבעבועות שחורות, הכריז ארגון הבריאות העולמי על כך שמחלת האבעבועות שחורות נעלמה סופית מהעולם. כך הפכה האבעבועות שחורות להיות המחלה המדבקת הראשונה בהיסטוריה שהוכחדה לחלוטין. המדהים הוא שלא מדענים רבי-ידע ועתירי זמן ותקציבי מחקר עשו זאת. זה היה רופא כפרי, איש סקרן וערני שחיסל את המחלה הנוראה והקטלנית בהיסטוריה לתמיד.

ההישג הרפואי של ג'נר הוא ייחודי בהיסטוריה, כי אבעבועות שחורות היא המגפה היחידה שהאדם הצליח למגר לחלוטין. עם כל השאר אנו ממשיכים לחיות, גם אם אינן מהוות איום על חיינו ומקווים שלא יצוץ זן חדש ועמיד בעתיד.

הנה סיפורו של ג'נר, שלא רק גילה את החיסון לוירוס אלא היה החלוץ בחיסונים המדעיים:

https://youtu.be/E_PKQ_M7AtU

על התגלית המופלאה שסימנה את עולם החיסונים:

http://youtu.be/jJwGNPRmyTI

על המגפה של אבעבועות שחורות (עברית):

https://youtu.be/hTGdetPBhho

והחיסון נגד האבעבועות השחורות (מתורגם):

http://youtu.be/yqUFy-t4MlQ?t=6s

מה לומדים מהגאוניות המבנית של חדק הפיל?

אם היינו מנסים לפתח יד מלאכותית, היכן היינו לומדים כיצד לפתח יד כזו? - סביר שההגיון היה מוביל אותנו ללימוד מסודר של הזרוע האנושית. אבל מדעני חברת FESTO הגרמנית החליטו ללמוד דווקא מהחדק של הפיל.

לדעת הזואולוגים זו המערכת הביולוגית המניעה בצורה היעילה ביותר דברים ממקום למקום. בחיפושיהם ממי ללמוד, גילו מהנדסי חברת FESTO וזואולוגים שגויסו לסייע להם שחדק הפיל מספק את הדרך הטובה ביותר בטבע להזזה של חפצים, באופן בטוח, חסכוני ויעיל.

רק בחדק שלו יש לפיל לא פחות מ-40 אלף שרירים. להשוואה - בכל הגוף האנושי כולו יש לנו 650 שרירים. בחדק גם אין עצמות ולכן הוא גמיש באופן יוצא מהכלל.

מצויד בתכונות כמו טווח תנועה רחב, גמישות, דיוק, עדינות ומהירות תנועה, החדק, מסתבר, הוא המערכת הביולוגית היעילה ביותר בטבע בהעברה או הנעה של עצמים שונים ממקום למקום. בכך שואבים ממנו החוקרים השראה לפיתוחה של ה-Bionic Handling Assistant, זרוע אחיזה מלאכותית שהיא גם יעילה וגם בטוחה.

חברת FESTO פיתחה וממשיכה לפתח זרוע אחיזה גמישה, לצרכים מודרניים מגוונים. הזרוע הביונית שמפתחת החברה היא מערכת הובלה פניאומאטית, המחקה את מבנה השרירים של החדק.

המערכת הזו נועדה למטרות מגוונות, משינוע של מוצרים ומרכיבים בתעשייה ובחקלאות ועד להרכבה עדינה, ומילוי צרכים רפואיים ושיקום של אנשים הסובלים ממוגבלויות.

טווח התנועה המתקבל בזרוע הבוטנית שמבוססת על החדק, לא מוגבל לצירים לינאריים, כלומר קוויים. חיישנים הסובבים את הזרוע מאפשרים ניטור של מסלול התנועה שלה והתאמה מתמדת של תנועתה למה שמתרחש מסביב.

אבל דווקא מערכת השרירים ולא העצמות היא שהופכת את החדק כה מוצלח בהזזת עצמים ממקום למקום, החל מהזעירים או הקטנים כמו עלים ופירות ועד גזעי עצים ענקיים.

באופן דומה, את הזרוע הביונית מרכיבות יחידות המצופות בחומר פלסטי ומלאות באוויר דחוס. הן מחוברות ביניהן ללא חיבורי מתכת. זהו אגב רק אחד מהסודות שהופכים אותה לבטוחה הרבה יותר במגע עם בני אדם, בין אם הוא מגע אקראי או מתוכנן.

לבטיחות הזו תורם גם ההתקן שבקצה הזרוע ומשמש לאחיזה של חפצים, לצרכים שונים - מהרכבה עדינה ועד שינוע של חפצים קטנים.

ואלה לא רק היעילות והבטיחות שמבטיח הלימוד מהחדק הטבעי של הפיל. בניגוד לתנועות הגסות שמאפיינות אמצעים מכניים דומים, התנועה היעילה והעדינה המאפיינת את הזרוע המלאכותית של FESTO, מאפשרת גם חיסכון באנרגיה.

החיסכון האנרגטי הזה אולי לא נראה משמעותי מאוד, אבל במכפלות של מערכות רבות כאלה, הפועלות ללא הפסקה, הוא הופך ליתרון בצד ההוצאות וגם בצד השמירה על הסביבה.

הנה הזרוע הביונית שפותחה בהשראת חדק הפיל:

https://youtu.be/SKJybDb1dz0

על פיתוח רובוטים שלומד מהחדק הפילי (עברית):

https://youtu.be/LDMDcMstUow?end=1m10s

החדק שלו משמש פיל כדי להילחם:

https://youtu.be/ZVAMnirC72c

החדק גם מעולה בלהשפריץ:

https://youtu.be/N6nvJeFLYv8

להפיל עץ חזק:

http://youtu.be/sNmLlJtiBek

ועוד מעט על זרוע האחיזה הגמישה של חברת פסטו:

https://youtu.be/9wr4xXdrUyg

איך האדם למד מהעכביש לייצר קורים חזקים להפליא?

קורי העכביש (Spider Silk) הם חזקים מפלדה וגמישים יותר מאשר גומי. הקוּרים הללו עשויים סיבי משי שאותם מייצר העכביש בבלוטות מיוחדות הנמצאות בבטנו. חוטי המשי הדקיקים הללו עשויים מחלבונים מבניים, המיוצרים ומופרשים מהבלוטות שבבבטן העכביש.

בתחילת המילניום החדש הגיעו מדענים מהאוניברסיטה העברית ומגרמניה למסקנה שטוויית קורי עכביש מלאכותיים תוכל לאפשר שחזור של מולקולות דומות לאלה הטבעיות שנוצרות בעת טוויית הקורים בטבע.

היישומים האפשריים הם רבים, במיוחד בתעשיות של תחומים הדורשים גדלים מזעריים. ייצור המוני של סיבים בעלי עובי זעיר של אלפית המילימטר ועדיין חזקים וגמישים כל כך, עשוי לשמש בעתיד לתפרים עדינים אחרי ניתוחים, שיותירו צלקות כמעט בלתי נראות, ודאי ביחס לאלה של היום. תפרים כאלה גם יקצרו את זמן הניתוח, יחישו את איחוי התפרים ויתרמו לייעול של ממש בתחום הכירורגיה.

מסיבים כאלו ניתן יהיה גם לשפר את ייצורם של מיקרו-מוליכים וסיבים אופטיים חזקים וגמישים להפליא למחשוב, לשפר את הייצור התעשייתי של בדים חזקים מתמיד שישמשו את תעשיית הטקסטיל, הביגוד ואופנה, כמו גם לייצור צבאי של אפודים ושכפ"צים משופרים נגד כדורים ולפיתוח של חוטי דיג חזקים מאי-פעם.

באוניברסיטה השבדית באופסלה למדעי החקלאות הצליחו חוקרים, באמצעות חיידקים, לייצר חלבון שאינו טבעי. למעשה הם יצרו אותו משני חלבונים שנלקחו מעכבישים שונים. החלבון הזה מתאפיין במסיסות מעולה במים ולשם טווייתו הם יצרו מעין "נול חלבוני" - מתקן טווייה המבוסס על חומרים שאינם אורגניים.

הנה קורי העכביש הטבעיים:

https://youtu.be/TtmwL7gb-i4

כך לומדים מהם המדענים ליצור חומרים חזקים ביותר מקורי העכביש:

https://youtu.be/3mcVs3K_ts0

כך מייצרים קורי עכביש מלאכותיים - משי חזק וגמיש כמו הטבעי:

https://youtu.be/35Q4l81R4ak?t=28s

פיתוח שוודי של קורים מלאכותיים ללא עכביש בגרמניה:

https://youtu.be/Yg6527AxKFE

חוטים שיהפכו בד נגד כדורים:

https://youtu.be/kBVA_i4R1VY

או חבלים חזקים מכל מה שידוע בעולם החבלים:

https://youtu.be/A8YSH_N7MWw

והרצאת טד על כוחם של קורי העכביש:

https://youtu.be/xossR6eHv3I?long=yes

מה למדו מהנדסי רכבות מהשלדג?

השלדג (Kingfisher) הוא ציפור שמתמחה בלהביט למים ולהמתין לדגים. כשהוא רואה דג, מסתער עליו השלדג ולוקח אותו מהמים. הוא עושה זאת במהירות אדירה וכמעט בלי להתיז מים ברגע הפגיעה בהם, עם הנחיתה מלמעלה. למה זה חשוב? - מיד תבינו...

אולי תתקשו להאמין אבל מהשלדג למדו מהנדסי רכבות כיצד לייצר רכבות מהירות במיוחד. זה קרה כשמהנדס הרכבת יפאני, שהיה גם צפר חובב, צפה בשלדג בעת הצלילה שלו לתוך המים ושם לב למשהו שצפרים רבים ראו, אבל איש לא הבין כמוהו.

הוא שם לב שכניסת השלדג לתוך המים, היא חלקה לגמרי וכמעט ואינה מייצרת גל רעש. השלדג חייב את השקט היחסי הזה, בעת הפגיעה במים. המהנדס החליט לחקור מה מיוחד במבנה גופו של השלדג ושמאפשר לו לשמור על מים שקטים יחסית, למרות שהוא עובר מתווך אחד לאחר, מהאוויר אל המים.

די מהר הוא הבין שהדבר דומה למעבר של רכבת שיוצאת ממנהרה אל האוויר הפתוח. המעבר הזה, במיוחד כשמדובר ברכבות מהירות במיוחד, מייצר חיכוך שמהווה בעיה ואף סכנה במהירויות כה גבוהות, כמו אלה של רכבות הקליע היפאניות. תובנה זו של המהנדס החכם הובילה אותו לחקור את מבנה גופו של השלדג ובמיוחד את צורת המקור שלו ולתכנן מחדש את צורתו של קטר הרכבת על בסיס מקור השלדג. הרכבות הללו מהירות ובטוחות בזכות הלמידה מהשלדג, הרבה יותר.

לשמו זכה העוף הזה כמובן, בזכות דרך השגת המזון שלו - קוראים לו "של-דג" כי הוא שולה מהמים, כלומר מוציא, דגים מתוך המים.

מהנדסי הרכבות שלמדו מהשלדג כיצד לתכנן רכבות שקטות (מתורגם):

https://youtu.be/iMtXqTmfta0

הנה השלדג:

https://youtu.be/1CsyenHROSE

שיטת הציד של השלדג:

https://youtu.be/6YRM0sy3xIY

כך הוא גם לוכד לטאות ובעלי חיים אחרים:

https://youtu.be/laio6NW-PMs

כשהוא צד או לא, השלדג בכל מקרה הוא עוף יפה להפליא:

https://youtu.be/xX9J-lVUQd0

וזה הפך את השלדג ל"נער הפוסטר" של הביומימיקרי:

https://youtu.be/pynSWVdphH4