ביומימיקרי שרה ויצל
מאז ומעולם האדם התבונן בטבע וקיבל ממנו השראה. אחת מעבודות הביומימיקרי המוקדמות ביותר המתועדות היא עבודתו של לאונרדו דה וינצ'י על תעופה מלאכותית. בעבודה זו, הדרך חשובה יותר מהתוצאה. לאחר שנכשל דה וינצ'י בפיתוח מנגנון תעופה מכני הוא פנה ללימוד של מעופפים שונים בטבע והקדיש שעות רבות ביום להתבוננות, הסתכלות, מחקר ושרטוט בעלי חיים כמו דג מעופף, עטלף, שפירית ועוד. לאחר שלב ההתבוננות, התמקד דה וינצ'י בלימוד מעמיק של הזואולוגיה והאנטומיה של התעופה הטבעית.
כיום, כאשר משאבי הטבע הולכים ואוזלים, נעשה צעד נוסף ומשמעותי לקידום פיתוח טכנולוגיות ומוצרים תוך הסתכלות על מודלים טבעיים המתמודדים עם אותן בעיות בצורה יעילה אנרגטית ושאיננה מזהמת את הסביבה.
הסוד המדביק של הצדפה הכחולה
סרטון מעניין על המימיקרי:
משמעות המונח ביומימיקרי הוא חיקוי החיים.
הביומימטיקה הוא ענף בו האדם מאתר פתרונות ביולוגיים מוצלחים בבעלי חיים , מזהה עקרונות מדעיים המעורבים בפתרון ומיישם את הפתרון בצורה של מוצר טכנולוגי .
מאז ומעולם האדם התבונן בטבע וקיבל ממנו השראה. אחת מעבודות הביומימיקרי המוקדמות ביותר המתועדות היא עבודתו של לאונרדו דה וינצ'י על תעופה מלאכותית. בעבודה זו, הדרך חשובה יותר מהתוצאה. לאחר שנכשל דה וינצ'י בפיתוח מנגנון תעופה מכני הוא פנה ללימוד של מעופפים שונים בטבע והקדיש שעות רבות ביום להתבוננות, הסתכלות, מחקר ושרטוט בעלי חיים כמו דג מעופף, עטלף, שפירית ועוד. לאחר שלב ההתבוננות, התמקד דה וינצ'י בלימוד מעמיק של הזואולוגיה והאנטומיה של התעופה הטבעית.
כיום, כאשר משאבי הטבע הולכים ואוזלים, נעשה צעד נוסף ומשמעותי לקידום פיתוח טכנולוגיות ומוצרים תוך הסתכלות על מודלים טבעיים המתמודדים עם אותן בעיות בצורה יעילה אנרגטית ושאיננה מזהמת את הסביבה.
הסוד המדביק של הצדפה הכחולה
הסתכלות בבעליי חיים ימיים הובילה לפריצת דרך מחשבתית בתחום ההדבקה בסביבה רטובה. הטבע אמנם לא מייצר רהיטים, אך הוא בהחלט משתמש בדבקים. איך למשל נצמדת הצדפה הכחולה לסלעים באזורי קו החוף העשירים בתנועה מימית ובגלים?
נמצא כי הצדפה הכחולה ( Blue Mussels, Mytilus Edulis)מייצרת דבק בעל חוזק המקביל לחוזקם של דבקים מלאכותיים. הדבק מיוצר בתנאי החיים, ללא חומרים כימיים רעילים, ומרכיב את רצועת החיבור המדביקה את הצדפה למשטח הסלע. הדבק פעיל כמובן בסביבה מימית.
סוד ההדבקה של הצדפה נעוץ בנוכחותה של חומצה אמינית המאפשרת התגברות על נטיית המשטח להעדיף מולקולות מים. דבק רגיל הנעדר תכונה זו אינו מצליח להדביק בסביבה רטובה.
בהשראת הצדפה הכחולה פותח דבק המבוסס על שינוי הרכב החומצות האמיניות שבסויה כך שיותאמו למבנה שזוהה בצדפה. הדבק מותאם לשימוש בסביבה מימית ואינו מכיל חומרים רעילים.
לדבק זה פוטנציאל לחולל מהפכה בתעשיית הצבעים והציפויים. בתחום הניתוחים הוא עשוי לשמש כתחליף לתפרים. כיום הפתרון מיושם בעיקר בתעשיית העץ ומשמש ביצור לבידים (דיקטים) לתעשיית הרהיטים.
נוסף על הדבקה בסביבה רטובה, נמצא כי רקמת החיבור של הצדפה הכחולה מאפשרת ניתוק והתפרקות כשהצורך בהדבקה מסתיים. הצדפה לא מחוברת לסלע לעד, ובשלב מסוים רקמת החיבור מתפרקת. אחד היישומים לחומר איטום טבעי המתפרק בתוך זמן קצוב הוא כתחליף לפלסטיק.
סוד הססגוניות של הפרפר
אם נתבונן בטבע נגלה פרפרים וטווסים צבעוניים. כיצד צבעם אינו דוהה? מדוע הטווס אינו זקוק לחדש את צבעו בכל עונה?
הצבע בטבע משיג את מטרותיו ללא כימיקלים או עודפי אנרגיה. הזוהר הססגוני של פרפרי מורפו (Morpho) ונוצות הטווס, למשל, נוצר ממבנה המורכב משכבות ומשטחים שונים המשפיעים על החזרי האור ובשל כך על הצבע שאנו רואים מזוויות שונות. צבע הפרפר הוא בעצם חום.
מסתבר שעל עורם של היצורים הקטנים הללו פזורות גבשושיות זעירות הבנויות באופן שהן ''שוברות'' את אלומות האור הפוגעות בהן ומחזירות רק אורכי גל מסוימים בהתאם לצבע המבוקש. בניגוד לפיגמנטים רגילים של צבע שדוהים במשך הזמן בהשפעת קרינת השמש או האבק המרחף באוויר, הגבשושיות הזעירות שומרות על זוהרן לאורך שנים ארוכות.
גוני הכחול והירוק של הטווס מושגים על ידי מבנה הנוצות. על הנוצות יש חודים קטנים מעוטרים בגדילים, המכוסים בצילינדרים קטנים של מלנין בעלי תבנית מרושתת. מבנה זה משפיע על הצורה שבה עובר האור דרכם וחוזר לעינינו. כמובן שצבע ללא פיגמנטים עורר עניין רב בקרב גורמים שונים.
באמצעות שימוש בננו-מבנים המחקים את כנפי הפרפר הצליחו חברות שונות לייצר צבעים, בדים וקוסמטיקה ללא מתכות רעילות ובפחות אנרגיה בתהליך הייצור. כך למשל, חברת הטקסטיל "טיג'ין" ייצרה לראשונה אריג בשם "מורפוטקס"המורכב מ-61 שכבות שונות ויוצר את אותה אשליית צבע אשר ניחנו בה פרפרי המורפו. דוגמה נוספת לפיתוח ביומימיקרי שהתאפשר הודות להתקדמות שיטות המחקר היא המסך השטוח של חברת קוולקום, ה- MirasolTM. הבנת מנגנון הצבע בפרפר תרמה לפיתוח מסך שטוח צבעוני כך שהעין האנושית תתפוס צבע כשאורכי גל מסוימים יוגברו בהשוואה לאחרים. מסך זה איננו דורש תאורה אחורית ולכן צורך אנרגיה נמוכה משמעותית לפעולתו.
האם בעתיד נוכל להיכנס לביתנו ולשנות את צבע הקירות בהתאם למצב רוחנו?
כולנו רוצים לחיות בסביבה נקייה ובבתים נקיים וחולמים על רובוט שינקה אחרינו. אחת הבעיות בתחום הניקיון היא שחומרי הניקוי מכילים דטרגנטים ורעלנים הפוגעים גם בסביבה וגם באדם. ויתור על עבודת הניקוי וגם על הדטרגנטים נשמע כפנטזיה שאינה ברת מימוש – אולם הטבע מצא לכך פתרון.
צמח הלוטוס (Lotus) נקי תמיד, ללא שימוש בחומרי ניקוי וללא צוות ניקיון. כיצד? הלוטוס הוא פרח מים אופייני לאסיה. הוא גדל בדרך כלל בביצות ובמים רדודים, ולמרות המים הבוציים והמלוכלכים הוא תמיד נראה נקי, ועל כן מסמל בבודהיזם טוהר.
הבוטנאי הגרמני ויליאם ברטלוט מצא כי ללוטוס מנגנון של ניקוי עצמי הגורם לחלקיקי לכלוך להתנתק מעליו. גורמים מזהמים ופתוגנים נשטפים ממשטח עלה הלוטוס על ידי הגשם ואפילו על ידי אגלי הטל. ברטלוט כינה את התופעה "אפקט הלוטוס" ואף רשם עליה פטנט.
בדוגמה זו יש התאמה של המבנה לתפקיד. עלי הלוטוס מכוסים בגבשושיות שעווניות דוחות מים בעלות קוטר של ננו-מטר אחד. טיפות מים נופלות על העלה, מחליקות ומסתחררות בין הגבשושיות. סחרור המים גורם לאיסוף של חלקיקי לכלוך הניתקים מן העלה ובכך מנקים אותו.
מסתבר שמשטחים מחוספסים (בעלי בליטות ננו-מטריות) נוטים להיות דוחי מים יותר ממשטחים חלקים, בגלל שטח המגע המוקטן בין המים למשטח. על משטח חלק, טיפות המים מחליקות ולא מסתחררות, ולכן לא אוספות בדרך חלקי לכלוך. בעלה הלוטוס, שטח המגע בפועל הוא רק 3%-2% משטח הכיסוי של הטיפות הנופלות. מבנה זה תומך במנגנון של ניקוי עצמי.
אפקט הלוטוס משמש השראה לפיתוח מוצרים בעלי יכולת ניקוי עצמית, שאינה תלויה בשימוש בדטרגנטים.
סוד המיזוג של הטרמיטים
בקרת אקלים במבנים תעשייתיים, מסחריים ופרטיים גורמת לצריכת אנרגיה משמעותית ביותר. לאור זאת, נעשים מאמצים רבים בשנים האחרונות למציאת פתרונות אנרגטיים יעילים לחימום ומיזוג מבנים.
מסתבר שהטרמיטים כבר פתרו את עניין בקרת הטמפרטורה בקִניהם ללא טכנולוגיה מתוחכמת או שימוש באנרגיה מזהמת. כיצד?
הטרמיטים הם חרקים קטנים ממשפחת התיקנים, שבדומה לנמלים חיים במושבות אדירות המונות אלפי פרטים. הטרמיטים נחשבים לאלופי הבנייה. הם בונים קִנים המתנשאים לגובה של כ-7 מטרים, ובחלק מהם ישנם אף אזורים תת-קרקעיים. אם נשווה את קִני הטרמיטים לגורדי שחקים באותו יחס גודל (טרמיט-אדם), הרי שגורדי השחקים צריכים להתנשא לגובה של מספר קילומטרים!
טרמיטים מצויים לרוב במדבריות שבהן משרעת הטמפרטורה נעה בין טמפרטורה נמוכה מאוד, מ- 0ºC ועד לטמפרטורה גבוהה של יותר מ- 40ºC. למרות זאת, בתוך הקן הטמפרטורה קבועה ועומדת על 30.5ºC. הטרמיטים ניזונים מפטריה שחיה בתוך הקינים שהם בונים. היא שורדת הודות לעובדה שהטמפרטורה בקינים אלו קבועה סביב 30.5ºC.
הטמפרטורה המבוקרת היא פועל יוצא של אופן בניית הקן. הטרמיטים בונים את קִניהם באמצעות הדבקת גרגירי אדמה בהפרשותיהם. המבנה הינו פלא הנדסי של מערכת מחילות ופתחי אוורור, כך שבתוך הקן הטמפרטורה והלחות קבועות.
קן הטרמיטים כולל מערכת אוורור ייחודית. אוויר נכנס לבסיס הקן וזורם דרך חדרים קרירים מתחת לאדמה. בהמשך, האוויר עולה למעלה לראש התל ובדרכו מעלה מקרר את הקן. בנוסף, במהלך היום, הטרמיטים פותחים וסוגרים פתחי אוורור על מנת לשמור על טמפרטורה קבועה.
פלא זה נתן השראה לבניינים שונים ברחבי העולם. האדריכל מיכאל פירס תכנן מבנה משרדי ומרכז מסחרי שלם בעיר הררה שבזימבבואה המבוסס על תובנות ויסות הטמפרטורה של קן הטרמיטים. המבנה משתרע על שטח של כ-30 דונם ומשתמש במערכת מורכבת של תעלות ופתחי אוורור להזרמת האוויר כמו בקן הטרמיטים. בנוסף, המבנה משלב חלונות מוסתרים, קירות עבים וצבעים בהירים להפחתת קליטת החום מהסביבה. מבנה זה הצליח להקטין את תצרוכת האנרגיה לחימום ומיזוג בכ-90% בהשוואה למבנים אחרים בגודל דומה.
העשרה:
על מנת להעמיק את ידיעותיכם בביומימיקרי ישנם מספר ספרים בסיסים להיכרות כללית עם התחום.
- Biomimicry: Innovation Inspired by Nature, Janine Benyu, 1997.ספר זה מתאר כיצד פתרונות שנמצאו בטבע נתנו השראה לפיתוח יצירתי של פתרונות עבור אתגרים שהאדם ניצב בפניהם.
- מח Invention by Design, Henry Petroski, 1996.קר פילוסופי ותרבותי של תהליך ההמצאה. הספר כולל תיאורי מקרה רבים ומעשירים.
- Nature: Mother of Invention, Felix Paturi, 1976.הספר מתאר את תהליך הביומימיקרי וכיצד מדענים יכולים ללמוד ממבנים בטבע, בעיקר ממבנים ננומטריים.
- The Gecko’s Foot: Bio-inspiration, Engineering New Materials and Devices from Nature, Peter Forbes, 2005. ספר זה מציג מחקרים ופיתוחים שונים בהשראת הטבע, בדגש על אפליקציות מסחריות וחיקוי הגאונות הטבעית הגלומה בננו-אנטומיה.
- Biomimetics: Biologically Inspired Technologies, Yoseph Bar-Cohen, 2006. ספר זה מציג גישה חדשנית לביומימיטיקה. בספר התייחסות לנושא המודולציה של תהליכים ביולוגיים עבור פיתוחים טכנולוגיים. הספר דן בנושאים כמו ביומימיטיקה של חומרים, מבנים, בקרה, איברים מלאכותיים והממשק בין הנדסה למערכות ביולוגיות.
תלמידים יקרים!
לאחר שלמדנו והרחבנו את ידיעותינו בנושא המימיקרי תוך עיון בבלוג, אתם מתבקשים לפתוח בלוג משלכם בנושא שהכי מעניין ומושך אותכם בתחום המדעים.
איך עושים זאת?
פותחים אימל בgmail, ולאחר מכן פותחים בלוג משלכם ועורכים אותו בצורה בה אתם רוצים שייראה.
בהצלחה רבה!
אין תגובות:
הוסף רשומת תגובה