מחקים את הטבע: היפופוטמים נגד קרינת השמש?
רובוט הצלה דמוי נחש לחילוץ נפגעים באסונות טבע, זרוע לאחיזה בחפצים דמויית חדק של פיל, רכב תת-ימי בצורה של פינגווין, מסך למחשב בהשראת טווס ופרפר. ההמצאות הטכנולוגיות שמקורן בבעלי החיים בטבע. הצצה לעולם הביומימיקרי, המחקה את החיים בטבע לטובת האדם
חדשנות בהשראת הטבע. בעלי חיים וצמחים מתמודדים עם אתגרים הנדסיים הדומים לאלה שעמם מתמודד האדם. הפתרונות שלהם, שעוצבו במשך מיליוני שנות אבולוציה, הם יעילים, מקוריים והכי חשוב – ברי-קיימא.
ביומימי- מה? ביומימיקרי
Biomimicry (=חיקוי החיים) הוא תחום דעת ישן-חדש, הרואה בטבע מאגר של רעיונות, מבנים, חומרים ותהליכים סביבתיים ברי-קיימא. העוסקים בתחום דעת זה שואפים לסגל תפיסת עולם שאינה שואלת: כיצד אנחנו יכולים להשתמש בטבע? אלא: מה אנו יכולים ללמוד מהטבע?
למרבית הבעיות שעמן מתמודדים בני האדם באופן יומיומי נמצא זה מכבר פתרון על ידי "מהנדסי הטבע" – בעלי החיים והצמחים. הללו מתמודדים עם אתגרים הנדסיים הדומים לאלה שאנו מתמודדים עמם (הפקת אנרגיה, ייצור מזון, אקלים, ייצור חומרים שאינם רעילים ו/או מזהמים, בנייה, תנועה, אריזה ועוד) באופן יעיל ובר-קיימא.
למעשה, מנקודת מבט זו אפשר לטעון שהטבע מספק לנו "קטלוג" של מוצרים לפתרון מגוון בעיות, אם רק נשכיל להתבונן, ללמוד ולחקות את הקיים.
הפירוש הצר של המילה Biomimicry הוא "חיקוי החיים" (bio=חיים, mimesis=חיקוי), אך הכוונה היא להרבה יותר מכך. Biomimicry (להלן: ביומימיקרי) הוא תחום דעת רב-תחומי ישן-חדש, הרואה בטבע ספרייה של רעיונות, מבנים, חומרים ותהליכים סביבתיים וברי-קיימא, מתבונן במודלים ובמערכות טבעיות ומבקש לחקות אותם או לקבל מהם השראה לפתרון בעיות אנושיות.
החוקרים העוסקים בתחום מתמודדים עם סוגיות טכנולוגיות, הנדסיות וסביבתיות באמצעות חשיבה חדשנית, יצירתית, אנלוגית ואופטימית, המבקשת להחליף את השאלה "כיצד אנחנו יכולים להשתמש בטבע" או "כיצד לנהל את הטבע", בשאלה "מה אפשר ללמוד ממנו"?
מליאונרדו דה-וינצ'י ועד היום
המושג "ביומימיקרי" (או biomimetics) הוטבע אמנם לפני מספר עשרות שנים בלבד, אך יישומו החל כבר לפני מאות ואולי אף אלפי שנים, שכן מאז ומעולם בני האדם צפו, למדו וחיקו את הטבע, על החי, הצומח והדומם שבו.
ככל שהטכנולוגיה האנושית מתפתחת, כך משתכללת יכולתו של האדם ללמוד מהטבע וליישם את המידע לפתרון בעיות. לאחרונה החלו מדענים העוסקים בתחום הרובוטיקה לחקות מבנים, צורות ותהליכים הקיימים בטבע ואף מערכות טבעיות שלמות.
נראה שהמדען הראשון שקישר באופן מודע בין אתגרים הנדסיים לתצפיות זואולוגיות בדרך יצירתית של חיקוי הטבע היה ליאונרדו דה-וינצ'י, שהיה תומך נלהב בשימוש בטבע כמקור השראה ומידע.
בסקיצות שהותיר אחריו אפשר לאתר המצאות הקשורות באופן ישיר לעיצובים הקיימים בעולם הטבע. הוא התבונן רבות בחרקים מעופפים, ציפורים ועטלפים במטרה לבנות מודל מעופף. ניסיונו אמנם לא צלח, אך הוא הניח את התשתית לתחום הדעת שכונה בהמשך ביומימיקרי, על ידי כך שהשתמש בידע זואולוגי וביולוגי לטובת פיתוחם של אמצעים הנדסיים.
גם האדריכל הספרדי גאודי נהג להשתמש בעקרונות שלמד מתוך התבוננות בטבע לצורך תכנון הנדסי. בכנסייה המפורסמת שתכנן, la Sagrada Familia, אפשר להבחין שחלוקת המשקל של העמודים דומה לזו הקיימת בעצים, המדרגות מחקות את המבנה הספירלי המקובל בטבע והחלונות תוכננו בדומה למבנה של כוורת דבורים כדי לאפשר לאור טבעי לחדור אל תוך המבנה.
גאודי השתמש במקורות השראה אסתטיים רבים, שאותם שאל מהטבע, ואלה הפכו את הבניינים שלו למרשימים במיוחד. כאיש דתי הוא החזיק בדעה כי: "אם הטבע הוא עבודתו של האל, ואם אדריכלות היא צורה, דמות, של הטבע, הרי שהדרך הטובה ביותר לכבד ולהוקיר את עבודתו של האל היא לתכנן בניינים בהשראת עבודתו שלו".
עם פרסום הספר "Biomimicry: Innovation Inspired by Nature" בשנת 1997, זכה המושג ביומימיקרי להכרה ציבורית ואקדמית כתחום מדעי ממוסד. בספרה, הדגימה המחברת Benyus כיצד השימוש בביומימיקרי מספק יתרון משמעותי לתרים אחר פתרון בעיות בתחומים מגוונים: עיצוב, תכנון, הנדסה ועוד.
Benyus טוענת כי כדור הארץ "השקיע" כ-3.8 מיליארד שנים ב"מחקר ופיתוח" באמצעות התהליך האבולוציוני, ולפיכך לרבות מהבעיות שעמן אנו מתמודדים היום נמצא זה מכבר פתרון הולם. מחפשים מקור אנרגיה מתחדש שאינו מזהם?
הצמחים משתמשים באנרגיית השמש. כיצד להיפטר ביעילות מאשפה? הטבע אינו מותיר אחריו עקבות, הכול ממוחזר. חוסר יעילות? מה שלא יעיל – לא שורד.
לטענתה, לאחר שנות אבולוציה רבות וארוכות כל כך, שבהן "כישלונות" (מוטציות שהיה בהן משום חיסרון לבעליהן) לא הצליחו לקנות להם אחיזה בעולם, אנו מוקפים ב"הצלחות", בצמחים ובבעלי החיים המותאמים ביותר לסביבת החיים הנוכחית. לכן, אך מתבקש כי נלמד כיצד לשלב את מגוון העיצובים והתהליכים הקיימים בטבע בתכנון ועיצוב המוצרים הדרושים לאדם.
פיתוח ידידותי לחיים ולסביבה
ביוני 1992 התכנסה בריו דה ז'נרו, ברזיל, ועידת פסגה עולמית של האו"ם לסביבה ולפיתוח. הוועידה ידועה גם כוועידת הפסגה בעניין כדור הארץ (Earth summit) או ועידת ריו.
בוועידה השתתפו יותר מ-170 מדינות, נציגי מוסדות או"ם עולמיים ואזוריים, נציגי ארגונים בין-לאומיים ובין-ממשלתיים, נציגי חברות וגופים כלכליים שונים ונציגי ארגונים לא-ממשלתיים, הפעילים בנושאים שונים של סביבה וחברה.
על סדר היום של משתתפי הוועידה עמדו בעיות דחופות של הגנה על הסביבה ופיתוח חברתי-כלכלי. במהלך הוועידה אושרו מסמכים אחדים, שהקהילה הבין-לאומית נדרשה לבחון אותם במשותף, כחלק ממכלול של פעילות בין-לאומית.
במהלך הוועידה פורסם לראשונה המסמך המכונה "אג'נדה 21", המהווה מתווה לפעולות הנדרשות בכל תחום שבו פעילות האדם משפיעה על הסביבה ברמה הגלובלית, הלאומית והמקומית. מדובר בתוכנית פעולה מקיפה להשגת פיתוח בר-קיימא במאה ה-21. במסמך זה פורסמה לראשונה ההגדרה של פיתוח בר-קיימא - "פיתוח המספק את הצרכים בהווה מבלי לפגוע ביכולת הדורות הבאים לספק את צרכיהם".
אחת התיאוריות בביומימיקרי טוענת כי על מנת שמוצר יענה על הקריטריונים הקובעים מהו מוצר בר-קיימא, יש להתייחס בשלב התכנון למספר עקרונות שעל פיהם פועלות מערכות טבעיות. עקרונות אלה, המכונים "עקרונות החיים" (Life's principles), מאפשרים למערכת אקולוגית לשרוד ולהתפתח.
עקרונות החיים מורים לנו, בין השאר, להעדיף פעולה אופטימלית ויעילה על פני פעולה מכסימלית, להשתמש באנרגיה חופשית, לעודד מגוון, להסתגל ולהתפתח, להשתמש בחומרים ותהליכים ידידותיים לחיים ועוד.
הבנת עקרונות אלה יכולה לסייע בהגדרת עקרונות לתכנון ופיתוח בר-קיימא של מערכות אנושיות (הנדסיות, טכנולוגיות, אדריכליות, ארגוניות ועוד). השימוש בביומימיקרי, תחום מחקר יישומי המבקש להשתמש בעקרונות ברי-הקיימא של הטבע מתאים, לפיכך, לעקרונות שנוסחו במהלך ועידת ריו.
המוביל האולטימטיבי - הפיל עם החדק הגמיש
מהנדסי חברת FESTO חיפשו דרך להזיז חפצים באופן יעיל, חסכוני ובטוח ככל האפשר. מחקר מקיף שערכו המהנדסים בשיתוף עם חוקרים מתחום הזואולוגיה הוביל למסקנה חד-משמעית: המערכת הביולוגית המניעה אמצעים שונים באופן היעיל ביותר בטבע היא דווקא החדק של הפיל (FESTO's Bionic Handling Assistant)
החדק מורכב ממערכת של שרירים (ללא עצמות) ומסוגל להניע הן חפצים גדולים כגון גזעי עצים שלמים והן חפצים קטנים ועדינים כמו פירות ואפילו עלים. התכונות המאפיינות את חדק הפיל – טווח תנועה רחב, עדינות, גמישות, דיוק ומהירות תנועה – סיפקו השראה לפיתוחה של זרוע אחיזה יעילה ובטוחה.
Bionic Handling Assistant היא מערכת הובלה של חברת FESTO, המחקה את מבנה השריר באופן פניאומאטי. המערכת בנויה מיחידות המלאות באוויר דחוס ומצופות בחומר פלסטי, ללא מחברים מברזל.
טווח התנועה המתקבל באופן זה הוא רחב ואינו מוגבל לצירים ליניאריים בלבד. במערכת משולבים חיישנים אשר מזהים ומנטרים את מסלול התנועה של הזרוע ומתאימים את תנועתה למצב הסביבה.
בקצה הזרוע – התקן לאחיזת חפצים. ההתקן מאפשר שינוע אובייקטים רגישים וכן ביצוע תהליכי הרכבה עדינים. התנועה היעילה של המערכת והיעדר התנועות הגסות המאפיינות אמצעי הובלה מכניים אחרים, מאפשרים חיסכון משמעותי באנרגיה המשמשת לתפעול המערכת.
המבנה הגמיש של הזרוע מסייע בהפיכתה לבטוחה ביותר במקרה של מגע מתוכנן או בלתי מתוכנן בינה לבין בני אדם. מערכת זו יכולה לסייע בשינוע מוצרים בתעשייה, בחקלאות, בשירות הרפואה ואף בשיקום אנשים הסובלים ממוגבלות.
זרוע האחיזה הגמישה שפותחה על ידי חברת FESTO
בהתקן שבקצה הזרוע מוחזק תפוח. התמונות באדיבות החברה; http://www.festo.com
היפופוטם וקרם: שלושה חומרים במחיר של אחד
בקיץ אנו נוהגים להשתמש בקרם הגנה נגד קרינת השמש ובחומרים שמטרתם להרחיק יתושים ומזיקים נוספים. לעתים אנו נזקקים גם לחומרים מחטאים. תארו לעצמכם שנוכל להשתמש במוצר אחד שנותן מענה לכל הדרישות הללו. ובכן, מוצר כזה נמצא כעת בפיתוח, וההשראה לפיתוחו התקבלה בעקבות התבוננות בהיפופוטם.
על עורו של ההיפופוטם מופרש חומר שומני, צמיגי ודביק, בצבע חלודה, המכונה לרוב "זיעה". למעשה אין מדובר בזיעה, שכן ההפרשה אינה על בסיס מים. מנגנון ההזעה מאפשר לבעל החיים לשמור על טמפרטורת גוף תקינה, אולם הפרשה זו מהווה גם מסנן קרינה אנטי-בקטריאלי, הדוחה חרקים.
החומר המופרש נותר פעיל במשך מספר שעות, גם כשההיפופוטם מתרחק ממקורות מים והחומר על עורו מתייבש. הפרשה ייחודית זו, המסייעת להיפופוטם להימנע מזיהומים בקטריאליים, חיונית ביותר בשל נטייתו לבלות חלק ניכר מהיממה בסביבה לחה, שזרימת המים בה חלשה ותחלופת המים בה אינה תכופה.
ההפרשה עשויה להגן על ההיפופוטם גם מפני זיהומים הנגרמים כתוצאה ממנהגו להיאבק עם חבריו לעדר על מעמד וטריטוריה, מאבק שעשוי לגרום לפציעה.חוקרים בבית הספר לרוקחות באוניברסיטת קיוטו ביפן, אספו את ההפרשות מעורם של ההיפופוטמים וזיהו שני פיגמנטים (האחד אדום והאחר כתום), שנמצאים בהפרשה.
לתרכובות הארומטיות היוצרות את הפיגמנטים דרגת חומציות גבוהה והן האחראיות לתכונות האנטיביוטיות של החומר ולתפקודו כמסנן קרינה.
קבוצת חוקרים אחרת, מהחוג להנדסה באוניברסיטת קליפורניה, בשיתוף גן החיות סן-דייגו וגן החיות פרסנו בקליפורניה, גילו כי גם לאחר מספר שבועות של אחסון, הפעילות האנטי-בקטריאלית של החומר נותרה בעינה. כעת מנסים החוקרים לייצר קרם הגנה אנטי-בקטריאלי לשימוש האדם, שישמש גם כדוחה חרקים, בהשראת הפרשת ההיפופוטם. אם יצליחו בכך, נוכל להשתמש במוצר אחד בלבד בעבור שלוש מטרות שונות.
יתרונותיו של החומר נעוצים בכך שהוא נמרח בקלות על העור, הוא עמיד במים ונותר פעיל במשך שעות. האתגר הניצב בפני החוקרים, לטענתם, הוא לוודא שהניחוח של הקרם לא יהיה כשל ריחו של היפופוטם...
ההפרשה השומנית ("זיעה") על פני עורו של היפופוטם. ההפרשה משמשת כמסנן קרינה, חומר אנטי-בקטריאלי וחומר דוחה חרקים.
התמונה באדיבות: Kimiko Hashimoto, Kyoto ;Pharmaceutical University
רכבת הקליע ביפן
הרכבת המהירה ביפן מכונה bullet train – רכבת הקליע (Shinkansen בשפת המקור). מהירות נסיעתה של הרכבת, שהיא המהירה בעולם, עולה על 320 קמ"ש.
לאחר שהושלמו תכנונה ובנייתה של הרכבת, נמצא שמהירותה אמנם גבוהה מאוד, אולם עוצמת הרעש שהיא יוצרת כאשר היא מגיחה ממנהרה היא בלתי סבירה ואינה עומדת בתקני הרעש המקובלים. הרעש החזק נובע מהפרש הלחצים בין האוויר הדחוס במנהרה לאוויר הפתוח בחוץ, והוא נשמע גם במרחק קילומטרים רבים מהמנהרה.
עוצמת הרעש פגעה באיכות חיי התושבים באזור והעידה גם על בזבוז האנרגיה המתלווה למטרד. צוות של מהנדסים נקרא לפתור את הבעיה.
אחד המהנדסים, צפר חובב, הבחין שהשלדג הגמדי מתמודד עם אתגר הדומה לזה הניצב בפני מהנדסי הרכבת. השלדג נוהג לצלול לתוך גוף מים במהירות גדולה. בדומה לרכבת, גם השלדג עובר מתווך בעל צפיפות מסוימת (אוויר) לתווך בעל צפיפות שונה (מים) ולהיפך, אך הוא מצליח לבצע את המעבר בצורה חלקה ושקטה, בלי לייצר רעש והתזות מים מיותרות.
השמירה על השקט חיונית לשלדג, על מנת שלא להבריח את הדגים שמהם הוא ניזון. בעקבות התצפיות שביצע המהנדס ותוצאות מחקרים נוספים, נמצא כי המקור של השלדג הגמדי הוא המאפשר לו כניסה שקטה למים.
בעקבות ממצא זה נערך תכנון מחודש של קטר הרכבת על פי המודל של מקור השלדג הגמדי, והתכנון החדש סייע בהפחתה משמעותית של עוצמת הרעש. השינוי במבנה הקטר סייע גם בהפחתת צריכת האנרגיה של הרכבת ב-15% ואפשר להגביר את מהירותה בכ- 10%.
מוקד רעש נוסף נוצר בגג הרכבת בשל מערבולות אוויר, הנוצרות כתוצאה ממגע הפנטוגרף בכבלי החשמל והחיכוך עם האוויר במהלך תנועתה המהירה של הרכבת. בניסיון למצוא פתרון לבעיה נבחן סוד מעופם השקט של דורסי הלילה, בשיתוף הפקולטה לזואולוגיה באוניברסיטת אוסקה, החברה לציפורי בר ביפן וגן החיות Tennoji ביפן.
נמצא, כי מבנה הנוצות המשונן של כנפי דורסי הלילה אחראי ליצירת מערבולות קטנות, השוברות את המערבולת הגדולה ומפחיתות את הרעש. מבנה הנוצות היווה מקור השראה לתכנון מחולל מערבולות (Vortex Generator).
לאחר מחקר מאומץ יושם עקרון הנוצות המשוננות במחולל המערבולות, שהורכב על חלקו העליון של הפנטוגרף. המחולל שבר את מערבולות האוויר הגדולות וכך הפחית את רעש הרכבת. מחולל המערבולות לא רק הפחית את עצמת הרעש, אלא גם העלה את יעילותה האנרגטית של הרכבת במידה משמעותית. מהנדסי הרכבת מספרים כי מאז ועד היום "למידה מהטבע" הפכה למוטיב קבוע בעבודתם.
מה הקשר לטווס, פרפר ומסך הטלפון החכם?
בחברת Qualcomm חיפשו פתרון לבעיה טכנולוגית מאתגרת: מציאת דרך להאריך את חיי הסוללות המפעילות מחשבים ניידים וטלפונים חכמים. מכיוון שאנרגיה רבה מושקעת ביצירת צבעי המסך של מכשירים אלה, חקרו מהנדסי החברה תחום זה בחיפושיהם אחר פתרון הולם.
במחקר משותף עם גן החיות בסן-דייגו, הצליחו מהנדסי החברה לייצר את תצוגת MirasolTM, בהשראת צבעיהם של טווסים ופרפרים. בטבע משמשים הצבעים את בעלי החיים לחיזור, אזהרה או הסוואה. מקורם של חלק גדול מהצבעים הוא בפיגמנטים הבולעים רק חלק מאור השמש הפוגע בהם.
הצבעים שאינם נבלעים בפיגמנטים מוחזרים לעינינו, והם המקנים לבעלי החיים ולצמחים את הגוון האופייני להם. אולם, יש בעלי חיים, טווסים ופרפרים לדוגמה, שצבעיהם אינם מתקבלים באמצעות פיגמנטים אלא באמצעות צבעים פיזיקליים. צבעים אלה נוצרים על ידי שבירת קרני האור במבנים מיוחדים דמויי מנסרה, הנמצאים בנוצות, בקשקשים או בכיסוי הגוף של בעל החיים.
טווח הגוונים המתקבל באמצעות צבעים פיזיקליים הוא עצום, ומשתנה בהתאם לזווית פגיעת קרני האור ומיקומה של עין המתבונן יחסית לגוף בעל הצבע הפיזיקלי. עקרון הצבעים הפיזיקליים יושם בתצוגת MirasolTM. מדובר במסך שטוח, המיועד למחשבים וטלפונים. טכנולוגיית הפקת הצבע במסך זה מבוססת על החזרי אור ממראות המונחות על שני לוחות מוליכים.
מתח חשמלי בין הלוחות קובע את המרחק ביניהם ואת אורך הגל המוחזר. לצבעים הפיזיקליים יתרונות רבים: טווח הגוונים רחב, הם אינם דוהים ואינם מבוססים על כימיקלים רעילים. בנוסף ליתרונות אלו, מסך ה MirasolTM צורך פחות אנרגיה יחסית למסכים רגילים, ועל כן מאפשר חיי סוללה ארוכים יותר.
הדרבן וחוט התפירה בחדרי ניתוח
גופו של הדרבן מכוסה בקוצים, שמקורם בגלגול אבולוציוני של שערות שהתקשו. כאשר הקוצים ננעצים בגופו של בעל חיים, הם עלולים לגרום לפציעה קשה ואף למוות כתוצאה מזיהום.
בין בעלי החיים שעלולים להיפגע מקוצי הדרבן נמנים גם בעלי חיים גדולים, כמו הטיגריסים בהודו, אריות באפריקה ואפילו נמרים בישראל.
לקוץ הדרבן מבנה ייחודי: הקוץ בנוי מקליפה חיצונית צפופה, המקיפה ליבה תאית פחות צפופה. על הקוצים יש זיזים הבולטים בכיוון ההפוך לכיוון החוד. ניסיון לשלוף קוץ של דרבן גורם לזיזים הזעירים, שכיוונם הפוך לכיוון החדירה, להינעץ ברקמה בדרכם החוצה ולגרום לכאב נוסף. קוצי הדרבן היוו את ההשראה לפיתוחו של התקן Quilltm, חוט תפירה כירורגי המיועד לתפירת רקמות בעומקים שונים לאחר ניתוח.
ההתקן פותח על ידי חברת Angiotech, על מנת לייעל את פעילות התפירה הכירורגית. ההתקן מאפשר קיבוע דו-כיווני של הרקמה הפגועה בזמן הניתוח, ומהווה מהפכה טכנולוגית של ממש. החודים הקטנים שעל ההתקן מאפשרים חלוקת המתח לכל אורך התפר, כך שהטראומה הנגרמת לרקמה נמוכה יותר בהשוואה לתפירה באמצעות חוט רגיל.
התקן Quilltm(חוט תפירה כירורגי) שפותח על ידי חברת Angiotech. בצד ימין מוצג ההתקן כולו, בצד שמאל – צילום בהגדלה, שבו נראים הזיזים הזעירים שעל פניו, המאפשרים חלוקת המתח לכל אורך התפר בזמן ניתוח.
התמונה באדיבות: Angiotech Pharmaceuticals, Inc
בנוסף, השימוש בהתקן מייתר את הצורך בקשירת קצות החוט בסיום הניתוח על מנת למנוע את התרופפות התפר. פיתוח זה מאפשר למנתחים לבצע דברים שבעבר לא יכלו לעשות באמצעות התפירה הכירורגית המסורתית. למשל, הכיווניות הייחודית של זיזי ההתקן מאפשרת לשני מנתחים לנתח במקביל, דבר אשר יכול לסייע בהפחתת זמן התפירה, צמצום משך ההרדמה והפחתת מינון חומרי ההרדמה. בדרך זו מצטמצמים הסיכונים הכרוכים בניתוח ויעילות הניתוח עולה.
חילוץ והצלה בהשראת נחשים
לצוותי חילוץ והצלה נשקפת סכנה מתמדת בעבודתם: הם מחלצים אנשים הלכודים בבניינים בוערים או מתחת להריסות, עליהם להתקרב לחומרים מסוכנים וכו'. כעת, דמיינו לעצמכם שהם לא יצטרכו עוד להסתכן.
הצלחתם? כעת הפסיקו לדמיין – העתיד כבר כאן, והוא מבוסס על פיתוחו של רובוט בהשראת מבנה הגוף ומנגנון התנועה של נחשים, המאפשרים להם להיכנס לחללים צרים ביותר.
החוליות הרבות המרכיבות את עמוד השדרה של הנחשים מקנות להם גמישות רבה (לנחשים הגדולים ביותר כ-500 חוליות. לבני אדם, לצורך השוואה, יש 33 חוליות). הם יכולים לטפס על עצים, להתחפר בין סלעים ולזחול כמעט בכל מקום שירצו.
מספר קבוצות מחקר בעולם שוקדות על פיתוח "נחשים רובוטיים", אשר נראים כמו נחשים ונעים כמו נחשים. בישראל, צוות המחקר במעבדה לביורובוטיקה וביומכניקה של פרופ' וולף בטכניון מפתח נחשים רובוטיים לשימוש כוחות מיוחדים של חילוץ והצלה.
פרופ' וולף ועמיתיו, חוקרים בתחום הביוקינטיקה , עוקבים במעבדה אחרי תנועת הפיתונים המתכדרים ונחשי הזעמן האלמוגי באמצעות מערכת מצלמות הרגישות לגלי אינפרא-אדום. ממצאי המחקר מקדמים פיתוח של רובוטים המתמחים בהתגנבות ובזחילה אל היעד על מנת לסייע בתהליך החילוץ.
הנחש הרובוטי בנוי מחוליות אוטונומיות רבות שביניהן מפרקים. בניגוד לנחש ביולוגי, הרובוט הוא מודולרי, כך שכל חוליה יכולה לתפקד גם בנפרד. תנועתו הגמישה מאפשרת לו לטפס על מדרגות, להתלפף, להשתחל לחורים קטנים ולנוע בסדקים ובחללים צרים.
לראשו אפשר לחבר מצלמה, כך שהוא יוכל לשדר תמונות בזמן אמת למפעילו. הרובוט יכול לשאת אמצעים לחישה ואיתור של סימני חיים וכן ציוד מציל חיים, ולהתקדם בתוך סביבה מסובכת לתנועה ורצופת מכשולים (למשל, מבנים שהתמוטטו כתוצאה מרעידת אדמה), ללא סיכון צוותי ההצלה האנושיים.
פרופ' וולף טוען כי ההתבוננות בבעלי חיים והשימוש בהם כמקור השראה למחקר למציאת פתרונות בנושאים שונים מאפשר להתגבר על אתגרים שונים הניצבים בפנינו. לטענתו, על החוקרים להיות יצירתיים ופתוחים לרעיונות חדשים, ולפעמים אף להשתמש בטכנולוגיה על מנת לשפר ו"לשדרג" את הפעילות הטבעית של בעל החיים כדי למצוא פתרונות טובים ויעילים למשימות השונות.
לדוגמה, בניגוד לנחשים אמיתיים, הנחש הרובוטי מסוגל להתגלגל על צירו או להתפצל למספר חלקים אוטונומיים, שחלקם יכולים לשמש כממסרי תקשורת או כחיישנים שנשארים בסביבת העבודה ומעבירים מידע לצוותי החילוץ בזמן אמת.
התמונות באדיבות: ד"ר וולף, BRML, הטכניון
http://brml.technion.ac.il/index.php
דובים ושנת חורף
המושג "שעת הזהב", הלקוח מתחום הרפואה הדחופה, מתאר את פרק הזמן הקריטי מרגע הפגיעה ועד לקבלת טיפול מתקדם. בפרק זמן זה נקבע גורלם של נפגעי טראומה, שבץ מוחי או התקפי לב. פענוח הגורמים המאפשרים לחלק מבעלי החיים לשקוע בתרדמת חורף (Hibernation) עשוי לסייע בהארכת משך הזמן הקריטי.
המושג "תרדמת חורף" מתאר מצב של חוסר פעילות פיזית וצמצום הפעילות המטבולית של בעל החיים. מצב זה מאופיין בטמפרטורת גוף נמוכה, נשימה איטית וקצב חילוף חומרים נמוך מהרגיל. בעלי חיים הנכנסים לתרדמת חורף שומרים בדרך זו על אנרגיה בתקופה שבה משאבי המזון בסביבתם מוגבלים. בין בעלי החיים המפעילים מנגנון זה אפשר למצוא דובים, סנאים, קיפודים, צבים, נחשים, עטלפים ועוד.
דובים, לדוגמה, מבלים מספר חודשים בתרדמת חורף. בזמן זה הדובים אינם אוכלים, אינם שותים ואינם עושים את צרכיהם עד שמגיע מועד היקיצה. אז חוזרות המערכות בגופם לתפקד באופן נורמלי, קצב לבם עולה ונשימתם מתגברת.
מחקר של המכון הארקטי לביולוגיה באוניברסיטת אלסקה, שכלל חמישה דובים אמריקנים שחורים, גילה כי קצב פעימות הלב של דוב שחור, השקוע בשנת חורף, יורד מ- 70-40 פעימות בדקה ל-12-8 פעימות בדקה ופעילותו המטבולית פוחתת ב-75%.
קצב חילוף החומרים המואט מאפשר לדוב להישאר במצב גופני תקין למרות חוסר הפעילות המוחלט במשך זמן רב. לדבריו של טויאן, חוקר במכון הארקטי: "המטבוליזם של הדובים השחורים יורד ב-75%, אך חום גופם יורד ב-6-5 מעלות בלבד, זאת בניגוד למחקרים קודמים שדיווחו על ירידה משמעותית יותר.
משדרים שהוצמדו לגופם של הדובים הראו כי חום הגוף לא נשאר קבוע, אלא משתנה לאורך החורף במחזורים של מספר ימים". על פי מחקר זה, נראה כי במהלך שנת החורף נושמים הדובים נשימה אחת עד שתיים בדקה וקצב ליבם מואט בין שתי הנשימות – לעתים חולפות עד 20 שניות בין פעימה לפעימה.
הבנת המנגנון המאפשר לבעל חיים לשקוע בתרדמת חורף והאפשרות לחקותו יכולים לסייע רבות בתחום הרפואה הדחופה, באמצעות הארכת "שעת הזהב" הקריטית עד לכדי "יום זהב" ואף יותר.
הארכת הזמן תסייע לשמר את הנפגעים במצב יציב ולהגן עליהם מפני הסיכונים הכרוכים בפינוי לצורך מתן עזרה ראשונה דחופה ותאפשר יצירת חלון זמן ארוך יותר עד להגשת העזרה הרפואית. זו תהיה התפתחות חשובה גם למצפים להשתלות. לטענת החוקרים במכון, האפשרויות לסיוע ברפואה הן אין סופיות.
מחוויה זואולוגית לחדשנות טכנולוגית
תוכניות חינוך בתחום הביומימיקרי הולכות ומתפתחות בשנים האחרונות בגני חיות ברחבי העולם, ובכללם ה"ספארי" (המרכז הזואולוגי תל אביב-רמת גן). בשנה האחרונה משתף הספארי פעולה עם ארגון הביומימיקרי הישראלי , ומקיים סיורים, סדנאות וקורסים בתחום הביומימיקרי.
כך לדוגמא, פותחה תוכנית רב-שנתית ייחודית בתחום הביומימיקרי. תלמידי המסלול לחינוך סביבתי בבית הספר "נטעים" לסביבה וטבע שברמת גן משתתפים בתוכנית למידה חוץ-כיתתית רב-שנתית בספארי, המיועדת לתלמידי כיתות א'-ח'. התוכנית מותאמת לתכנים הלימודיים של בית הספר, ובמהלכה מושם דגש על אחריות האדם כלפי בעלי החיים והסביבה.
מטרתה העיקרית של תוכנית הלימודים בתחום הביומימיקרי הייתה לעודד את התפתחותה של דרך מחשבה הרואה בטבע מקור לפתרונות לאתגרים תכנוניים באמצעות חשיבה אנלוגית ובין-תחומית. התלמידים למדו להתבונן על הטבע כמורה, מודל ומדד לפיתוח בר-קיימא, ולחפש בטבע פתרונות לאתגרים הניצבים בפני בני האדם.
התלמידים נחשפו למגוון דוגמאות של פתרונות לאתגרים תכנוניים דרך האוסף הזואולוגי בספארי, והפנימו את החיבור בין ידע זואולוגי להמצאות ולחדשנות. יותר מהכול, הושם דגש על החשיבות העליונה של שמירה על מגוון המינים.
בנוסף, הוזכרו גם הפוטנציאל הכלכלי הגלום בפיתוח בתחום הביומימיקרי, הסיפוק המתקבל מהשמירה על הסביבה, יישומם של עקרונות הקיימות והפיתוח בר-הקיימא ותחושת החדשנות הנובעת מהפעילות בתחום דעת זה. הושם דגש על היתרון האקולוגי הגלום בפילוסופיה העומדת מאחורי הביומימיקרי כתוצאה מהשילוב בין כלכלה, חברה וסביבה, באופן שאינו נותן עדיפות לאחד התחומים על פני האחרים.
זאת, לעומת תפיסות אקולוגיות ותיקות יותר, הטוענות שיש להעדיף שימור על פני פיתוח ותפיסות כלכליות המעדיפות את הפיתוח הטכנולוגי והכלכלי לצורכי האדם, גם אם הסביבה נפגעת כתוצאה מכך.
במסגרת תוכנית הלימודים הרב-שנתית העמיקו התלמידים את הידע שלהם בנושאים זואולוגיים המוכרים להם מלימודיהם בבית הספר (התאמות של בעלי חיים לסביבתם, התפתחות ושינויים אבולוציוניים ועוד), רכשו מיומנויות תצפית, תרגלו זיהוי של הקשר בין מבנה איברי גופם של בעלי החיים לתפקידים שאותם ממלאים איברי גוף אלה, וחשבו על דרכים שבהן אפשר לרתום התאמות מבניות אלה לצורך פתרון אתגרים סביבתיים.
המפגש האחרון במסגרת התוכנית היה מרגש במיוחד, הן בעבור התלמידים והן בעבור סגל ההוראה וההדרכה. התלמידים חולקו לשתי קבוצות. על חברי הקבוצה האחת הוטל לתפקד כצוות מהנדסים ולהתמודד עם אתגר הנדסי אמיתי בתחום החילוץ וההצלה (האתגר נלקח מתוך אתר האינטרנט של שירותי כיבוי אש).
על חברי הקבוצה היה לאתר את בעל החיים המתאים ביותר מתוך מגוון בעלי החיים בספארי, שהתנהגותו או מבנה גופו עשויים לספק השראה לפתרון האתגר. התלמידים התמודדו היטב עם האתגר, ואף שרטטו אבטיפוס מלא של הרובוט שעליו חשבו.
בין בעלי החיים שמהם שאבו התלמידים השראה: עכביש, תיקן, זחל ועכבר. ראוי לציין כי בעלי חיים אלה שימשו השראה גם לחוקרים שונים בעולם, וכיום קיימים רובוטים המבוססים על מאפיינים שונים של כל אחד מבעלי החיים הללו ומיועדים לצורכי חילוץ והצלה לאחר רעידות אדמה, שריפות וכו'.
לאחר שבחנו את היתרונות השונים הגלומים בבעלי החיים השונים, חברי "צוות המהנדסים" בחרו ברוב קולות את הנחש כמקור ההשראה המתאים ביותר להתמודדות עם האתגר שהוצב בפניהם. מבנה גופו של הנחש, תנועותיו, יכולתו להתמודד עם תנאי סביבה שונים ויכולתו לנוע גם בחללים צרים נמצאו מתאימים לצורך תכנונו של מודל הנדסי.
מה רבה הייתה הפתעתם של התלמידים כשצפו בתמונה ובסרטון של רובוט הנחש שהוזכר לעיל. התלמידים השתאו לראות כיצד השרטוט שעליו עמלו במשך כ-30 דקות קורם עור וגידים לנגד עיניהם. ד"ר וולף עצמו הופתע והתרגש כאשר שמע על השרטוט, והוא אף הציע לצרף את הכיתה לפרויקט רובוטיקה של תלמידי חטיבות ביניים בישראל.
סונאר העטלפים למען העיוורים ונגד תאונות הדרכים
על חברי הקבוצה השנייה הוטלה משימה שונה מעט. קבוצה זו תפקדה כצוות ביולוגים החוקרים עטלפים. הם קיבלו מידע בנוגע לאופן פעולתו של מנגנון הסונאר של העטלפים, ומשימתם הייתה להציע דרכים ליישום הידע לפיתוח אמצעי שיסייע לפתרון בעיה כלשהי, לבחירתם.
בין הרעיונות שהוצעו על ידי חברי הקבוצה: סונאר שיותקן על ספינות ויאפשר להימנע מפגיעה במכשולים (אמצעי שפותח זה מכבר) וסונאר שיותקן על מכוניות ויסייע במניעת תאונות דרכים (גם זה אמצעי שפיתוחו הושלם זה מכבר). אמצעי נוסף שהוצע על ידי התלמידים הוא מכשיר שיסייע לאנשים הסובלים מעיוורון או מראייה מוגבלת.
ההשראה לפיתוח זה נבעה מהידע של התלמידים בנוגע לשימוש שעושים העטלפים בסונאר לצורך ניווט בתנאי ראייה קשים. התלמידים תכננו מקל נחייה לסובלים ממגבלות ראייה. על פי התכנון, המכשיר ישדר גלי קול לסביבה, יקלוט את הגלים המוחזרים, יפענח את השינויים שחלו בגלים ויצביע על מכשולים הנמצאים בסביבה באמצעות רטט.
כובע או משקפיים שאליהם מחוברת אוזנייה המצפצפת בעת החזרת גלי הקול מעצמים שונים היו אמצעים נוספים שאותם הציעו התלמידים. התלמידים הופתעו והתרגשו לנוכח התמונות והסרטונים של מקל הנחייה הרוטט של חברת The UltraCane (תמונה 6) שהוצגו בפניהם. מקל נחייה זה משדר אותות לסביבה. האותות החוזרים מתורגמים לרטט, שהקצב שלו ומיקומו על המקל מסמנים לעיוור באיזה כיוון ומרחק נמצא המכשול.
מקל נחייה המשדר וקולט גלי קול ומאפשר לנושא אותו להבחין במכשולים הנמצאים בסביבתו באמצעות רטט. קצב הרטט משתנה בהתאם למרחק של המכשול מהמקל.
התמונה באדיבות החברה: http://www.ultracane.com
התלמידים הופתעו לגלות שגם "משקפי הנחייה" שהציעו פותחו זה מכבר לכדי מוצר בשם The vOICe (תמונה 7א), וכן למוצר של חברתThe Bat K-Sonar (תמונה 7ב) הפועל באופן דומה, שאותו אפשר להרכיב על מקל נחייה, לתלות על הבגדים ואף לשאת ביד.
מתקנים אלה מתבססים אף הם על עקרון הסונאר, פועלים באמצעות יצירה וקליטה של גלים על-קוליים. אמצעי זה מספק ללקויי הראייה מפה מרחבית של סביבתם באמצעות צלילים המעידים על מכשולים הנמצאים בסביבה ועל מרחקם מהאדם. גלי הקול נקלטים במכשיר ובאמצעות אוזנייה מאפשרים למשתמש לזהות סוגים שונים של חפצים באמצעות צלילים שונים.
התמונה באדיבות החברה
http://www.seeingwithsound.com
התמונה באדיבות החברה
שני אמצעי נחייה אלה מספקים מידע על מכשולים הנמצאים בסביבה באמצעות צלילים.
במפגש זה, כמו גם במהלך סדרת המפגשים כולה, הוכיחו התלמידים כי גילם הצעיר, המשלב חשיבה יצירתית "ילדותית" עם הכרת טכנולוגיות שונות וידע זואולוגי שצברו במהלך השנים בספארי, עשוי לסייע בתכנון יישומים טכנולוגיים בתחומים שונים ומגוונים. מפגשים אלה יאפשרו לתלמידים לקרוא דרור לדמיונם. ומי יודע, אולי מהרעיונות הללו ייצא הפיתוח המשמעותי הבא?
כריש באולימפיאדה ופינגווין כרכב תת-ימי
חליפת השחייה Speedo's Fastskin FSII של חברת ספידו, שזכתה בתשומת לב רבה במהלך אולימפיאדת בייג'ין בקיץ של שנת 2008, מהווה דוגמה טובה לפיתוח מסוג זה. חליפת השחייה פותחה בהשראת המבנה המיוחד של עור הכריש, המכוסה קשקשים זעירים דמויי שיניים (הנקראים באנגלית dermal denticles).
מבנה מיוחד זה מפחית את החיכוך הנוצר בעת התנועה במים, ומאפשר לכריש לשחות במהירות גבוהה במיוחד. מעצבי חליפת השחייה יצרו בד המחקה את הפרופורציות של קשקשי עור הכריש, וייתכן שעיצוב זה סייע לשחיין מייקל פלפס לזכות ב-8 מדליות זהב באולימפיאדה באותה שנה.
יכולותיהם הגופניות של בעלי החיים הן מקור השראה גם בתחומים נוספים. מהנדסי חברת FESTO בחנו בעלי חיים שונים בחיפוש אחר השראה לבניית רכב תת-ימי. הם חקרו את צורות התנועה של בעלי חיים שונים, את מידת התנגדות גופם ללחצים, את מידת החיכוך עם המים ואת יכולת הניווט שלהם בתוך המים, והגיעו למסקנה שהמודל המתאים ביותר לצרכיהם הוא הפינגווין.
"אקווה-פינגווין" – כלי רכב תת-ימי שתוכנן על ידי FESTO בהשראת תנועת הפינגווין.
התמונה באדיבות החברה; http://www.festo.com
על האדמה, תנועתו של הפינגווין מסורבלת, אך במים הוא נע ביעילות גבוהה. הפינגווין האפריקני, לדוגמה, שוחה במהירות שמגיעה עד ל-20 קמ"ש וצולל עד לעומק של כ-30 מטרים.
ה"אקווה-פינגווין" של FESTO הוא רכב תת-ימי שנע באופן עצמאי, ללא נהג אנושי, במהירות של כ-5 קמ"ש, במשך 7-6 שעות רצופות. בתהליך הפיתוח העתיקו המהנדסים את קווי המתאר של גוף הפינגווין, את מבנה הכנפיים ואת אופן תנועתן, במטרה להקנות לכלי הרכב את יכולת התמרון של הפינגווין.
אנו מאמינים כי הדיון על מבנה גופם של בעלי החיים והתאמותיהם לסביבה, בלוויית ניתוח דוגמאות לניסיונות ולהצלחות שלנו בחיקוי מבנה גופם והתנהגותם, בהקשר של "תרבות, כיף והנאה" במהלך הקייטנה, מספק הזדמנות להעלות לדיון נושאים נוספים, כגון מחויבות האדם לסביבה, חשיבות השמירה על מגוון בתי גידול ועוד.
מיכל טופז, רכזת תחום ביומימיקרי במרכז הזואולוגי תל אביב–רמת גן (ה"ספארי").
דוא"ל: michal@safari.co.il
בשנת 2011 הוקמה במחלקת החינוך של המרכז הזואולוגי תל אביב–רמת גן ("הספארי"), יחידה שמטרתה לקדם את התחום ולהעלות את המודעות הציבורית לחשיבותם של בעלי החיים כמקור השראה לפיתוח אנושי, בהתאם לתפיסה סביבתית בת-קיימא.
הכתבה המלאה התפרסמה בגליון 46 של כתב העת "חיות וחברה "
עוד מאמרים ודעות במדור "חיות וחברה "
לפנייה לכתב/ת 
