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?

לעיתים, אחרי שרכשנו הבנה בסיסית של תופעות טבע, מגיע שלב הריגול העסקי: אנו רוצים לא רק להבין איך פיתוח מסוים של הטבע עובד, אלא מבקשים לחקות אותו ולבנות מוצר משופר. הציפור יודעת לעוף? אנחנו נבין איך היא עושה את זה ונבנה ציפור ענקית שיכולה לחצות אוקיינוסים ולשאת מאות אנשים.

הציפורים, קורי העכביש והפוטוסינתזה מספקים לנו רק טעימה קלה ממנעד רחב של תופעות טבע שהעניקו השראה למגוון פיתוחים מדעיים וטכנולוגיים. התחום הזה, של חיקוי עולם הטבע לצרכים מדעיים וטכנולוגיים, נקרא ביומימטיקה (ביו=חי, מימטיקה=חקיינות) או בגרסה האנגלית יותר: ביומימיקרי (biomimicry). מדענים ומהנדסים הצליחו לפתח באמצעותו חומרים חדשניים, לעצב בגדי ספורט, לשפר טכנולוגיות להפקת אנרגיה ועוד.

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.

לפעמים ההשראה לפתרונות שנמצאו הגיעה מהטבע. התאים הסולריים הזמינים כיום, שמנצלים את אנרגיית השמש להפקת חשמל, אינם יעילים במיוחד. חוקרים מאוניברסיטת ג'יאו טונג בשנחאי שבסין קיבלו השראה מכנפי פרפרים, שמשתמשים באנרגיית השמש לחימום גופם, כמעין תאים סולריים זעירים.

החוקרים גילו כי כנפי הפרפרים מכילות מעין קולטני שמש זעירים המסודרים בצורה ייחודית שמאפשרת להם לקלוט אור רב מהשמש. כשסידרו תאים סולריים מלאכותיים באותה צורה, ראו שהם פעילים הרבה יותר מאשר תאים המורכבים מאותו חומר ומסודרים בתבנית גיאומטרית רגילה. מקור השראה נוסף לתכנון תאים סולריים יעילים יותר הוא תהליך הפוטוסינתזה, שבו צמחים ממירים את אור השמש לאנרגיה כימית האצורה בצמח ומזינה אותו.

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

הטבע הוא מקור בלתי נדלה גם ליצירת חומרים חדשים ולשיפור התכונות של חומרים קיימים. למשל, חוקרים מאוניברסיטת אוהיו חיקו קורי עכביש כדי לתכנן דבק שיישאר עמיד בתנאי לחות. בניגוד לסלוטייפ רגיל למשל, קורי עכביש נדבקים היטב למשטחים גם באזורים לחים כמו חדר האמבטיה.

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.

מה שטוב לעכבישים טוב לחדר האמבטיה. 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.

עלה לוטוס מדגים דחיית מים מהי | צילום: Shutterstock

דרך אחרת לתכנן חומרים בהשראת הטבע היא ללמוד ממנו עקרונות. אחד מהם הוא השימוש בחומרים מרוכבים. למשל, עץ מורכב משילוב של סיבים ארוכים של תאית המודבקים יחד באמצעות חומר חזק שנקרא ליגנין. שילוב זה מעניק לעץ חוזק וגמישות שאינם קיימים כאשר תאית וליגנין עומדים בפני עצמם. 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.

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".

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.