מדע בהשראת הטבע

אמנים צריכים השראה. סופר ישראלי שרוצה לכתוב רומן שמתרחש בלונדון יתקשה להוציא מתחת ידיו תוצר אמין אם לא יבקר בלונדון ויכיר את סודותיה ותרבותה. גם מדענים צריכים השראה, ואין מקום טוב יותר לחפש אותה מאשר הטבע. התבוננות בעולם הטבע מעלה שאלות כמו איך ציפורים עפות בשמים בלי ליפול? איך קורי עכביש מצליחים לתפוס חרקים? איך צמחים מפיקים אנרגיה מהשמש בפוטוסינתזה?

להאזנה לכתבה: קריינות - איתי נבו 

מחדשים את האנרגיה המתחדשת

האנושות צורכת בימינו כמויות עצומות של פחם, נפט וגז טבעי להפקת אנרגיה. השיטות האלה מזהמות, ואם לא די בכך הן מתבססות על משאבי טבע מתכלים שיאזלו בסופו של דבר. לכן מושקעים מאמצים רבים למציאת דרכים חלופיות להפקת אנרגיה ממקורות מתחדשים, כמו אנרגיית השמש, הרוח או המים.

בדוגמה מפתיעה אחרת, חוקרים מהמכון הטכנולוגי של קליפורניה (Caltech), בהובלת ג'ון דבירי (Dabiri), צפו בתנועה של להקות דגים ולמדו מהם איך כדאי לסדר טורבינות רוח כדי לנצל טוב יותר את המערבולות באוויר. לאחר חישובים דקדקניים הם בנו חווה של 24 טורבינות המסודרות בדומה ללהקת דגים, והראו שהסידור הייחודי מגביר באופן משמעותי את יעילות הפקת האנרגיה מהטורבינות.

מן המעמקים אל השמיים: הדגים שמייעלים את פעולת הטורבינות(צילום: shutterstock)

חוקרים אחרים קיבלו השראה מהאופן שבו עלי עצים רוטטים כדי להפיק אנרגיה מהרוח בלי כל צורך בטורבינות ענק, שדורשות שטח רב וכנפיהן פוגעות בציפורים. יש גם מי שמפתח להבי טורבינות בהשראת הסנפירים של הלווייתן גדול-הסנפיר (Megaptera Novaeangliae).

עכבישים, צמחי מים וחומרים מרוכבים

קורי העכביש מורכבים משלושה סוגים עיקריים של חומרים: חלבונים המחוברים לסוכרים (גליקו-חלבונים), מים ומולקולות קטנות. החוקרים גילו שהמולקולות הקטנות סופחות מים מהסביבה הלחה, וכך מאפשרות לפני השטח של הקורים להישאר יבשים ולהדביק היטב. ייתכן שבהשראת קורי העכביש נוכל לייצר דבק שיישאר עמיד בתנאי לחות.

קורי עכביש(צילום: shutterstock)

לחות ומים מפריעים לא רק לדבק, אלא גם לאנשים שרוצים שהבגדים והנעליים שלהם יישארו יבשים בגשם. איך מייצרים ציפוי יעיל הדוחה מים? אחד מדוחי המים הקדומים והמוצלחים ביותר הוא צמח המים לוטוס, שעל שמו קוראים לדחיית מים "אפקט הלוטוס".

עלי הלוטוס מכוסים בבליטות זעירות המצופות בשעווה שומנית שדוחה מים. כשטיפות מים נופלות על העלה, הבליטות דוחות אותן ומשאירות אותן מעל המשטח. מכיוון שהמים לא באים כמעט במגע עם המשטח, הם פשוט מתגלגלים הלאה ואוספים בדרך חלקיקי לכלוך ומזהמים אחרים שנמצאים על העלים, ובסופו של דבר המים והלכלוך שאספו פשוט מתגלגלים מהצמח. בעיריית סן פרנסיסקו אף השתמשו באפקט הלוטוס כדי לצבוע קירות במקומות ציבוריים בחומרים דוחי מים, וכך למנוע נזקים שגורמים אנשים שמטילים את מימיהם ברחוב.

דרך אחרת לתכנן חומרים בהשראת הטבע היא ללמוד ממנו עקרונות. אחד מהם הוא השימוש בחומרים מרוכבים. למשל, עץ מורכב משילוב של סיבים ארוכים וגמישים של תאית המודבקים יחד באמצעות חומר חזק שנקרא ליגנין. השילוב הזה מעניק לו גם חוזק וגם גמישות. גם בתעשייה משתמשים כיום בחומרים מרוכבים רבים. דוגמאות בולטות לכך הן הבטון המזוין, המבוסס על שילוב של מלט, חול ואבנים קטנות עם רשת ברזל, וחומרים המבוססים על סיבי פחמן, המשמשים כיום למשל בבניית מטוסים קלים וחזקים.

(איור: נעה כ"ץ)

רגלי הברדלס ומקור הטוקן

הטבע מעניק השראה גם לפיתוח ציוד ספורט, שמאפשר לספורטאים לשפר את ביצועיהם. יש למשל נעלי פקקים שקיבלו השראה מרגלי הברדלס – היצור היבשתי המהיר בעולם. הברדלס רץ בציפורניים שלופות, נועץ אותן באדמה וכך משיג אחיזה טובה יותר בקרקע ומנתר קדימה. אותו עיקרון הוביל לייצור נעלי פקקים לכדורגלנים במשך שנים. בשנת 2008 פיתחה אחת מחברת הנעליים הגדולות את העיקרון צעד אחד הלאה ופיתחה נעלי פקקים בעלות להבים קטנים וחדים לאצנים אולימפיים. האצן הג'מייקני אספה פאוול הדגים את יעילות הנעליים האלה כשניצח בריצת 100 מטר בתחרות בבריטניה שהתקיימה בגשם שוטף, כשהוא נועל על המסלול הרטוב את "נעלי הברדלס".

ברדלס רץ בציפורניים שלופות(צילום: shutterstock)

הכל בזכות הברדלס. נעלי פקקים(צילום: shutterstock)

בדוגמה אחרת, מדענים מאוניברסיטת סן דייגו בקליפורניה קיבלו השראה מהמקור של ציפור הטוּקָן כדי לתכנן קסדות. מקור הטוקן מורכב משכבה חיצונית של קרטין - חומר קשה שממנו מורכבות גם הציפורניים שלנו. באמצע המקור יש מבנה אוורירי דמוי ספוג, המחוזק על מעין פיגומים של קרטין וסידן, שמעניקים לו קשיחות, גמישות ומשקל קל. ההשראה ממקור הטוקן יכולה לאפשר פיתוח של קסדות קלות, קשיחות וגמישות. הטבע העניק השראה גם לצורתו של הכדורגל, למחבטי טניס ולבגדים.

החיה שהפכה את הבטיחות לנוחות. טוקן(צילום: shutterstock)

כל אלה אינן אלא דוגמאות ספורות למקרים שבהם מדענים קיבלו השראה מהטבע לפיתוחים בתחום האנרגיה, החומרים והספורט. הטבע הוביל לפיתוחים חדשניים גם בתחום האופטיקה, אגירת מים, תכנון אמצעי תחבורה ועוד. לעיתים, מחקר בהשראת הטבע מוביל לפיתוחים שימושיים מאוד בתעשיה, כמו בטון, פלדה, חומרים דוחי מים ונעלי ספורט. אולם, גם כשהמחקר אינו מסתיים בחקיינות מוצלחת בקנה מידה מסחרי, הוא עדיין מאפשר לנו להבין לעומק את המנגנונים המסקרנים והמורכבים שהטבע פיתח במשך מיליוני שנות אבולוציה.

לביא ביגמן, דוקטורנט במכון ויצמן וכתב באתר מכון דוידסון

תערוכת קיץ בגן המדע: חי, צומח, דומה - ההמצאות שמחקות את הטבע. כיצד מחקה האדם את ההמצאות של הטבע? איך פותרים בעלי חיים בעיות? ואיך כל זה קשור לטכנולוגיות מתקדמות? בואו לגלות את סודות הביומימיקרי בתערוכת קיץ 2019 בגן המדע של מכון דוידסון במכון ויצמן למדע. לפרטים נוספים