פיתוח מערכות לאיסוף מים ושינועם בהתבסס על מאפייני חיפושית מדברית ונקבת הפשפש
כיצד למידה מבעלי חיים וצמחים יכולה לייעל את חיינו? בגופם של בעלי חיים וצמחים קיימים מנגנונים אבולוציוניים, כימיים ומכניים, שמאפשרים להם להתאים את עצמם לסביבה. ביומימטיקה היא ענף מחקרי (בין היתר בהנדסה, ביולוגיה, כימיה ופיזיקה) שחוקר את פעילות הטבע ומחקה אותה כדי למצוא פתרונות לבעיות אנושיות. כך למשל, ניתן לפתח מנגנוני אווירודינמיקה של כלי טיס בהתבסס על מעוף הציפור או כלים לאיסוף מים בהתבסס על מנגנונים לאגירת מים שקיימים בקקטוסים.
במעבדה לביומימטיקה של מערכות מכניות ופני שטח בבית הספר להנדסה מכנית באוניברסיטת תל אביב, בוחנים מאפיינים ומנגנוני פעולה של חרקים, ובונים מערכות הנדסיות בהשראתם. ד”ר בת-אל פנחסיק, העומדת בראש המעבדה: “לחרקים יש מכניקה (למשל מנגנוני הנעה), פני שטח (השכבה החיצונית של הגוף) ותכונות חומר שמותאמים להם אבולוציונית ומסייעים להם להסתגל לסביבה ולשרוד, וניתן ללמוד מהם הרבה. כך למשל, כדי להביא צאצאים לעולם נקבת הארבה צריכה לחפור באדמה ולהטיל בה את ביציה. לכן היא נולדת עם שני זוגות כפות לחפירה, אשר החוזק המכני שלהן גדל פי 19 עם התבגרותה (בתוך כשלושה שבועות מלידתה); החומר המרוכב שממנו הן עשויות (שבנוי מכמה חומרים ובהם סיבים וחלבונים) הופך מרך לקשה ביותר.
בנוסף, בעת שהיא חופרת, היא מאריכה את בטנה כדי להגן על הביצים ולספק להן לחות. במעבדה אנו מכמתים (בשיתוף עם פרופ’ אמיר איילי מבית הספר לזואולוגיה באוניברסיטת תל אביב), את המכניקה של חומרי הכפות (למשל נקודות החוזק והחולשה שלהם) ויכולים להתבסס עליהם בבניית מערכות הנדסיות אשר מותאמות לסביבות שונות. כך למשל ייצרנו אבטיפוס של רובוט רך, שמצד אחד יכול להתעקל ולעבור כיפוף ומצד שני להתארך, לשנות כיוון ולהגיע לנקודה שאנו מגדירים לו. מהתארכות הבטן של נקבת הארבה אנו גם יכולים ללמוד על גמישות רקמות ולהשתמש בידע לטובת יישומים בתחום הנדסת רקמות”.
עוד חרק שד”ר פנחסיק וצוותה לומדים ממנו הוא חיפושית מדבר נמיב (שבדרום מערב אפריקה); טל הבוקר מתרכז כטיפות בנקודות הידרופיליות (מושכות מים) על גבה של החיפושית, וכשהיא מרימה את אחוריה, טיפות אלה מתגלגלות אל פיה. בדרך זו היא מצליחה לאסוף מים מהאוויר ולשרוד במדבר. באחד הפרויקטים האחרונים שלהם התבססו החוקרים על נתונים אלו לצורך הנדוס משטחים עם נקודות הידרופיליות וכיוון תנועתיות מסוים שמסייעים לריכוז טיפות מים והובלתן בכיוון הרצוי. את המשטחים הללו מיקמו בתא אקלים שבנו, שבו ניתן ליצור טמפרטורות שונות ולחקור את השפעתן על כמות המים שניתן לאסוף. כך למשל יצרו טמפרטורות נמוכות ולחות גבוהה – התנאים הדרושים להתעבות.
“בכל פרויקט כזה”, אומרת ד”ר פנחסיק, “אנחנו בודקים מהן תכונות החומר ופני השטח שיפיקו את הביצועים הטובים ביותר. במקרה הזה יצרנו משטחים לאיסוף מים פסיבי (ללא השקעת אנרגיה) ושינועם, ואנחנו מקווים שבעתיד ניתן יהיה להתבסס עליהם בבניית משטחים גדולים שיפיקו כמה ליטרים מים ביממה”.
בפרויקט נוסף – שזכה במענק מחקר מהקרן הלאומית למדע – קיבלו החוקרים השראה מהאיבר שבו נקבת הפשפש מאחסנת את הזרע של הזכר עד שיבשילו התנאים הסביבתיים להיריון מוצלח. איבר זה בנוי כך שהזרע לא יכול לזלוג ממנו אלא ברגע האמת, ואז – הוא זורם רק בכיוון אחד. החוקרים עיצבו בעזרת תוכנת מחשב מעין תעלות חד-כיווניות שבאמצעותן ניתן לאגור מים מהסביבה ולהובילם בכיוון מסוים. הגיאומטריה של התעלות – למשל התרחבות והיצרות של נקודות מסוימות וגבהים משתנים לאורכן – מאפשרת למים שבהן לזרום בכיוון אחד. לאחר מכן הדפיסו החוקרים את התעלות מחומרים סינתטיים קשיחים במדפסת תלת-ממד. “יצרנו דגם לאיסוף נוזלים ושינועם בכיוון מסוים. כלומר, אבטיפוס שלפיו ניתן לעצב מערכות שיפעלו באזורים עם מצוקת מים או ישמשו לצורכי תעשייה (כגון מפעלים שבהם צריך לפנות מים שהצטברו על גבי צינורות). גם במקרה הזה, התבססנו על המבנה הראשוני כפי שהוא קיים בטבע ואחר כך שינינו את הגיאומטריה שלו כדי להשיג ביצועים מיטביים”, מסכמת ד”ר פנחסיק.
החיים עצמם:
ד”ר בת-אל פנחסיק, 37, נשואה פלוס שניים (4 ו-2.5), מתגוררת בתל אביב. רוב הזמן מנסה לאזן בין הקריירה האקדמית לבין גידול הילדים.
