כתבה – ד"ר יעל הלפמן כהן

דמיינו שאתם פותחים את המחשב, ובמקום האותיות הצבעוניות של גוגל שכולם מכירים מעל חלון החיפוש, כתוב Nature בכל צבע שתבחרו. אתם יכולים להכניס לחלון החיפוש הקטן כל שאלה, והטבע יענה לכם ! אתגרים רבים המעסיקים את האנושות, אתגרים תכנוניים, חברתיים, וארגוניים כבר נפתרו בטבע. תהליך הלמידה וחיקוי של פתרונות הטבע מזוהה כיום עם תחום הביומימיקרי, (ביו= חיים, מימיקרי = חיקוי), תחום דעת בצמיחה עולמית.

במאגר ההמצאות של הטבע יש מספר עצום של פתרונות שפותחו ונוסו בהצלחה במשך זמן בלתי נתפס, פתרונות מקיימים, יעילים ואפילו לא מוגנים בפטנט. אחד האישים הראשונים שלמדו ממאגר זה הוא  Leonardo da Vinci( 1519-1452), שהקדיש שעות רבות ביום להתבוננות, למחקר ולשרטוט של מעופפים שונים בטבע, כמו דג מעופף, עטלף, שפירית ועוד, במטרה לפתח מכונה מעופפת. הוא חקר את עקרונות התעופה הטבעית, אך לא הסתפק בהתבוננות ובאיסוף ידע, וחתר אף ליישמו. מאז ומעולם התבונן האדם בטבע, אך דה וינצ'י חתר להשלים תהליך של תכנון שיטתי המתחיל בחקר הטבע ומסתיים ביישום. דה וינצ'י אומנם לא צלח במשימתו ולא פיתח את המטוס הראשון, אך הוא הניח את היסודות לתחום הביומימיקרי, ולכן נחשב לאבי הביומימיקרי.

התחום החל להתגבש כתחום דעת מובחן בשלהי המאה ה – 20, ואז גם עלה הצורך לכנותו בשם נפרד. כיום תחום הביומימיקרי נמצא בצמיחה עולמית ומזוהה כדיסציפלינה מדעית. הוא נלמד באקדמיה, וקיימים מענקים למחקרים, פטנטים רשומים, כתבי עת אקדמיים המיועדים לפרסומים בתחום וספרות מקצועית.

הטבע יכול לעורר השראה לפתרון, לתת כיוון ברמת הניצוץ, הגרעין, הרעיון או העיקרון התכנוני. אך הוא יכול גם להציע מודל לחיקוי נרחב יותר, המתייחס גם לפעולת המערכת הטבעית, למבניות שלה, לחומריה ולפרמטרים המכתיבים את פעולתה. במרחב החדשנות מהטבע ניתן למצוא טווח נרחב של המצאות, שחלקן עונות יותר להגדרה של השראה מהטבע וחלקן עונות יותר להגדרה של חיקוי הטבע.

להלן כמה דוגמאות להמצאות ועיצובים ביומימטיים:

חלון המנקה את עצמו

האם תוכלו לדמיין חלון המנקה את עצמו, ללא השקעת אנרגיה או חומרי ניקוי? פתרון לחלון כזה התגלה בטבע, ומזוהה עם אפקט הלוטוס.

הלוטוס גדל בסביבה בוצית, אך הוא תמיד נראה נקי, ולכן נחשב סמל הטוהר והיופי. העובדה שהעלה תמיד נקי מבוץ מאפשרת ביצוע של פוטוסינתזה ביעילות ותומכת בהישרדות הצמח. בשנות ה- 80 הבחין בכך בפליאה גם וילהלם ברתלוט (Barthlott), בוטנאי גרמני. באופן אינטואיטיבי ניתן לחשוב שמשטחים חלקים נקיים יותר, כי סדקים וחריצים עלולים ללכוד לכלוך. אך ברטלוייט גילה שהמשטח של עלה הלוטוס אינו חלק, הוא מכוסה גבשושיות ברמת המיקרונים ועליהן חלקיקי ננו (מיקרון – מיליונית המטר; ננו – מיליארדית המטר). המרחק בין חלקיקי הננו קטן מקוטר טיפת מים, כך שמים אינם יכולים להיכנס בין החלקיקים. מבנה זה מקטין את שטח המגע של טיפות המים הנופלות על המשטח ויוצר זוויות מגע של יותר מ- 150 מעלות בין הטיפה למשטח, תכונה המאפיינת משטחים הדוחים מים במידה קיצונית (סופר־ הידרופוביים). טיפות מים הנופלות על המשטח מקבלות צורה כדורית, מתגלגלות על משטח העלה המשופע ושוטפות כל מה שנקרה בדרכן, כולל אבק וחלקיקי לכלוך. מדובר על פתרון אלגנטי המבוסס על מבנה, שמיוצר פעם אחת, והתוצאה היא שירות ניקוי חינם, לכל החיים, ללא השקעת אנרגיה וללא חומרי ניקוי, תוך שימוש במשאב זמין בסביבה – מים. על בסיס מבנה זה כבר פותחו צבעי חוץ לבתים, חלונות, ובדים בעלי אפקט ניקוי עצמי.

צפו גם בסרטון:

לשתות מים מהאוויר

החיפושית הנמיבית היא חיה במדבריות נמיביה, אזור שחון שבו יורדים כ- 40 מ"מ גשם בלבדיאור בשנה. כמו יצורים אחרים, החיפושית צריכה לשרוד למרות המחסור במים. לפנות בוקר, כשגופה עוד קר מהלילה, אבל הסביבה מתחילה להתחמם, היא פורשת את כנפיה, מרימה את רגליה האחוריות, ואז הפלא מתרחש: על כנפיה יש גבשושיות הידרופיליות (מושכות מים) קטנות, וטיפות המים מתחילות להתעבות עליהן. הטיפות מתגבשות ונופלות לחריצים שבין הגבשושיות. החריצים לעומת זאת הידרופוביים (דוחי מים). הטיפות נדחות מהחריצים ומחליקות בשיפוע שנוצר כתוצאה מהרמת הרגליים האחוריות היישר לתוך פיה. כך בפשטות היא שותה מים מהאוויר.

מאמצים רבים מושקעים כיום בפיתוח מערכות טכנולוגיות שיחקו את תהליך קצירת המים הזה, במטרה לספק מי שתיה זמינים למיליוני אנשים. אנשים רבים חיים באזורים מרוחקים, לא מפותחים, ללא תשתיות מים. אך הלחות באוויר זמינה, ואם נדע לקצור אותה באמצעות מתקנים לקצירת מים בהיקפים גדולים, נפתור את אחד מאתגרי האנושות.

הרכבת היפנית

האם רכבת יכולה להיות גם מהירה וגם שקטה? עם הבעיה הזאת התמודדו מהנדסים ביפן.

הרכבת היפנית שינקָנסֶן, הידועה גם כרכבת הקליע, היא אחת הרכבות המהירות בעולם, והיא מגיעה למהירות של 320 קילומטר בשעה. המהירות הגבוהה יצרה בעיית רעש משמעותית במהלך נסיעה ובעיקר ביציאה ממנהרה, כשלחץ האוויר משתנה. במצב זה נוצר גל רעש חזק, בום על קולי, שהוגדר כזיהום רעש המתפשט למרחק רב. הרעש פגע באיכות החיים של התושבים באזור, ומובן שלא עמד בתקני הרעש שהוגדרו. בעיית הרעש העסיקה את המהנדסים,והם חיפשו פתרון להפחתת הרעש מבלי לפגוע במהירות הנסיעה.

המהנדס הראשי של הרכבת, חובב ציפורים נלהב, שהה יום אחד בטבע וראה שלדג צולל לתוך המים. הוא הבחין שהכניסה של השלדג למים חלקה, ללא גלי רעש, אדוות או התזת מים. השלדג ניזון מדגים שהוא שולה, וסביר להניח שכניסה חלקה למים מקנה לו יתרון בהשגת מזון, שכן רעש היה מרחיק את הדגים.

המהנדס זיהה את הקשר בין צלילתו השקטה של השלדג לבעיית הרעש ברכבת. גם השלדג וגם הרכבת נדרשים לעבור מִתָּווך המאופיין בצפיפות מסוימת לתווך המאופיין בצפיפות אחרת, ולעשות זאת ללא רעש. תובנה זו הובילה לחקר השלדג.

הפתרון זוהה במקור, האיבר הראשון שנכנס למים בעת הצלילה. המקור עובר מהאוויר למים, מלחץ נמוך ללחץ גבוה בהתאמה, תוך איבוד אנרגיה מינימלי. באמצעות המבנה האווירודינמי של המקור, השלדג מצליח להתגבר על השינוי הפתאומי בהתנגדות וכמעט שאינו מתיז מים.

קטר הרכבת תוכנן מחדש על בסיס הפרמטרים של מקור השלדג, שהיה המודל לפתרון. בעזרת טכניקות של מידול ממוחשב עוצבה מחדש צורתו של קטר הרכבת, והיא מזכירה כעת בצורתה את מקור השלדג, ואם תרצו – גם קליע. בעיית הרעש נפתרה, והרכבת אף יעילה יותר מבחינה אנרגטית וגם מהירה יותר.

מגדל Eiffel

מאחורי מגדל אייפל שהוקם ב – 1889, מסתתר סיפור יפה של השראה מהטבע. הוא נבנה עבור יריד עולמי שהתקיים בפריז. לקראת היריד נערכה תחרות בין אדריכלים שהגישו הצעות למבנים שיבנו לכבוד היריד. אדריכל צרפתי צעיר בשם גוסטב אייפל ( Eiffel ) החליט להשתתף בתחרות. על שולחנו היה מונח ספר אנטומיה, והוא החל לדפדף בו, עד שנעצר בפרק שלכד את תשומת ליבו, המתאר את המבנה של עצם הירך, הבנויה מסיבים שביניהם חללי אוויר. סיבים וחללים בתוך סיבים וחללים. המבנה מאופיין בחוזק רב ובמשקל קל ומתוכנן לשאת עומסים ומתחים בצורה יעילה. אייפל התרשם מאוד מהמבנה והפך אותו לקונספט העיצובי של מגדל אייפל, שמבנהו מזכיר מאוד את מבנה העצם.

פרוייקט עדן

פרויקט עדן הוא חממת ענק המשמשת מרכז אקולוגי באנגליה ובנויה ממערכת של כיפות. החממה עוצבה בהשראת בועות סבון. היא תוכננה באתר מחצבה פעיל, ופני השטח הסופיים לא היו ידועים. לכן נדרש מבנה שיכול להיות מותאם ברכּוּת לכל צורת פני שטח, בדומה לבועות סבון המסתדרות על כל משטח. הכיפות עצמן בנויות בצורת משוּשים  –  צורות המאפיינות מבנים שונים בטבע, גם מערכות שאינן מן החי כדוגמת מינרלים וגבישים. מבנה המשושים הזה מצטיין בין היתר בחיסכון באנרגיה ובחומר, ותורגם לקונסטרוקציית פלדה חסכונית וחזקה, ללא צורך בעמודי חיזוק פנימיים. חיקוי מבנים אלו הוביל ליעילות מרשימה במיוחד: מסתבר שמשקל האוויר הכלוא בתוך הכיפות גבוה ממשקל הכיפות עצמן.

תחום הביומימיקרי מזמין אותנו להסתכל על הטבע כציידים ולקטים של המאה ה- 21, לצאת לטבע לצוד פתרונות וללקט השראה. כל תנועה לעבר מידע ביולוגי – שהות בטבע, מפגש עם טקסט ביולוגי ותשומת לב לתופעות מפליאות – מייצרת מפגש בין פתרונות הטבע ליישומים אפשריים במגוון תחומים. חומרים חכמים, פתרונות בתחום המים, תחבורה או מבנים יעילים הם מקצת התחומים שהזכרנו בכתבה זו, ויש עוד תחומי יישום רבים.

יכולות-העל של הטבע עוזרות למהנדסים ומעצבים להציב יעד לשאוף אליו, להפוך את הבלתי אפשרי לאפשרי או לפחות להתקרב אל הרף הגבוה שהציבו. כיום יש מתודולוגיות וכלים לתמיכה בתהליך חדשנות זה, לרבות שיטות חיפוש ומידול של פתרונות בטבע. מאגר המצאות הטבע עולה על גדותיו ומגוון המינים הוא מקור לחדשנות. לאונרדו דה וינצ'י היטיב לתאר זאת כבר לפני מאות שנים כאשר אמר "האדם לא יוכל למצוא עצה טובה, פשוטה או ישירה יותר מהעצה של הטבע, כי בהמצאות הטבע אין דבר חסר ואין דבר מיותר".

ד"ר יעל הלפמן כהן

חוקרת, יזמית, יועצת ומרצה בתחום של ביומימיקרי, חדשנות בהשראת הטבע. מייסדת שותפה ומנכ"לית ארגון הביומימיקרי הישראלי, מייסדת חברת Naturecode, העוסקת בחדשנות מהטבע בארגונים; מחברת הספר "המצאות הטבע- איך לייצר חדשנות בהשראת הטבע".