שתפו‬        

לטוס כמו צפרדע

צפרדעים שמצליחות להידבק למשטחים חלקלקים במיוחד ועטלפים שמנצלים את שיערם כדי לנווט - מה האדם יכול עוד ללמוד מבעלי החיים בתחום התחבורה?
8 בספטמבר 2015



 

במאה ה-15, בשיאה של תקופת הרנסנס, לאונרדו דה וינצ'י הצעיר חלם לעוף בשמים כמו הציפורים. כדי להגשים את חלומו, דה וינצ'י העביר את זמנו בהתבוננות וחקירה מדוקדקת של הציפורים בעת מעופן, והספיק בתקופת חייו לתכנן מספר מודלים שונים של כלי טיס על בסיס ממצאיו. 400 שנה לאחר מכן, האחים רייט, הידועים בתור הראשונים שהצליחו לבנות ולהטיס בהצלחה מטוס ממונע ומאויש, עשו בדיוק את אותו הדבר – התבוננו בציפורים. בהתבסס על שרטוטים ישנים של מודלים של מטוסים שכשלו, ביניהם גם של דה וינצ'י, האחים רייט הצליחו לבסוף לגעת בשמיים ולהטיס את המטוס הראשון שלהם בשנת 1903. גם דה וינצ'י וגם האחים רייט, מבלי להיות מודעים לכך, תכננו את כלי הטיס שהמציאו לפי עקרונות הביו-מימיקרי: חיקוי החיים.

צפרדע חץ רעילה בצבע כחול בוהק. צילום: Valerie, Flickr
צפרדע חץ רעילה בצבע כחול בוהק. צילום: Valerie, Flickr

כתוב בעור

צפרדע החץ הרעילה (Poison dart frog) שחיה באזור קו המשווה באמריקה הדרומית, היא מין ממשפחת הדנדרובטיים, שמאופיינת על ידי עור צבעוני וזוהר שמקושט בגוונים שבין כתום וצהוב ועד כחול וסגול. החיה מרהיבת העין הזאת, שאורכה הוא סנטימטרים בודדים בלבד, מסוגלת להפריש רעל רב עוצמה באמצעות חורים קטנטנים שממוקמים על עורה החיצוני.

חוקרים מהפקולטה להנדסת חומרים ואנרגיה באוניברסיטת אריזונה סטייט בארה"ב פירסמו בתחילת השנה מחקר שסוקר את הפיתוח התחברותי המסקרן שלהם: ציפוי דו שכבתי שמשמש כמען "עור" נוסף למטוסים ושנועד למנוע הצטברות של קרח על גבי המטוס. הקרח עלול לסכן את מהלך הטיסה התקין והוא נחשב לגורם סיכון גבוה לתאונת מטוסים. כאשר גשם קופא על כנפי המטוס הוא עלול לפגוע בתפקודן התקין, לגרום לאבדן שליטה על המהירות ואף להוביל לקשיים ולהפרעות בעת ההמראה והנחיתה.

הפיתוח החדש התבסס על התבוננות במנגנון הפרשת הרעל של צפרדע החץ הרעילה, שאוצרת את הרעל שלה בשכבה פנימית מתחת לעור החיצוני ומשחררת אותו רק כשהיא מרגישה מאוימת. בדומה לעורה של הצפרדע, ציפוי המטוסים מורכב משתי שכבות: שכבה פנימית שמכילה נוזל נוגד-קרח, ושכבה חיצונית שמורכבת מחומר הידרופובי (דוחה מים) עוצמתי. במפגש של השכבה החיצונית עם מים, טיפות הגשם או השלג מחליקות מהמשטח וכך מופחתת משמעותית ההסתברות שטיפות המים יקפאו ויצטברו כגושי קרח על פני שטח המטוס. בנוסף, מכילה השכבה החיצונית חורים מיוחדים שמהם יכול להגיח הנוזל נוגד הקרח המאוכסן בשכבת הציפוי הפנימית. השכבה הפנימית נכנסת לפעולה כאשר השכבה החיצונית "נכשלת" בהרחקת המפגע ומים או קרח חודרים דרך החורים אל השכבה הפנימית. המגע בין המים לשכבה הפנימית מתחיל שרשרת אירועים שבסופה הנוזל נוגד הקרח מפשיר את הקרח וממיס אותו.

החוקרים בדקו את המערכת בתנאי מזג אוויר קשים של גשם, שלג וערפל בטמפרטורת קיפאון, והראו שהציפוי הדו-שכבתי מפגין הצלחה יתרה במניעת הצטברות הקרח על גבי המטוס עד פי 10 בהשוואה לשכבת ציפוי הידרופובית חיצונית אחת בלבד.

כיום השיטה המקובלת להרחקה ולמניעת הצטברות של מים, שלג וקרח היא פיזור כימיקלים שונים על גבי המטוס המורידים את נקודת הקיפאון. בנוסף למחיר הגבוה של החומרים ממיסי הקרח, השיטה מבוססת על פיזור החומרים בכל תנאי מזג אוויר ללא קשר להצטברות בפועל של קרח. החומרים הכימיים האלה עלולים למצוא את דרכם אל מי השתייה ולזהם אותם. היתרון הבולט של שיטת הציפוי הדו-שכבתית החדשה היא הטיפול המניעתי של הבעיה: השכבה הפנימית מהווה למעשה מערכת גיבוי מתוחכמת שמפרישה את החומר נוגד הקרח רק לאחר מפגש עם קרח בפועל, ולכן היא חסכונית יותר וידידותית לסביבה. הטכנולוגיה החדשנית הזאת עדיין נבדקת בתנאי מעבדה וטרם נכנסה לשימוש.

צפרדע עצים. צילום: philHendley, Flickr
צפרדע עצים. צילום: philHendley, Flickr

צפרדע או ספיידרמן?

בנוסף לצפרדע החץ הרעילה המסוכנת, גם צפרדעים תמימות ושוחרות שלום מהוות השראה לפיתוחים טכנולוגיים חדשניים. זנים רבים של צפרדעים מבלים את מרבית זמנם על עצים וכמעט שאינם יורדים לקרקע. הצפרדעים הקטנטנות הללו, שאותן אפשר להחזיק בכף יד, מגיעות לגודל של עד שבעה סנטימטרים בלבד, זאת על מנת שעלי העץ יישאו את כובד משקלם. כמו גיבור העל ספיידרמן, הן מסוגלות להיצמד בחוזקה לכל משטח ולהתנועע עליו בחופשיות ובביטחון, גם בזווית אנכית לחלוטין. היכולת המופלאה הזאת של צפרדעים אלו מאתגרת את המדע ומהווה השראה לפיתוחים טכנולוגיים חכמים.

קבוצת חוקרים מאירופה שחקרו את מבנה האצבע של הצפרדעים בשיטות מיקרוסקופיות הציגה מבנה גאומטרי משוכלל: על גבי כל אצבע יש מבנים רבים וצפופים בצורת משושים בגודל של עשרה מיקרומטרים המופרדים ביניהם בתעלות ברוחב מיקרומטר אחד בלבד. התאים המשושים האלה מאפשרים אפקט הדבקה עוצמתי של חיכוך והצמדות למשטחים רטובים תוך שימוש בכוח האדהזיה (קרי, היכולת של שני משטחים שונים להיצמד זה לזה בחוזקה), כך שכל אצבע מהווה למעשה משטח היאחזות בפני עצמה. כאשר הצפרדע מתהלכת על משטח רטוב, היא מפרישה חומר רירי, שמפוזר באופן אחיד על פני שטח כל האצבע באמצעות התעלות. למעשה, מנגנון ההדבקה של צפרדעי העצים מזכיר מאוד את ההדבקות של כוס בירה צוננת לתחתית הנייר שעליה היא מונחת.

קבוצת החוקרים הציגה בנוסף יכולת מתקדמת של הצפרדע להגן על משטחי ההדבקה שלה מפני שחיקה: בזמן שהות על משטח כלשהו, הצפרדע מניעה את רגלה קדימה ואחורה ומפזרת על המשטח את הג'ל המופרש מהתעלות, ובמקביל מפנה אבק או חלקיקים קטנים מהמשטח שבו היא אוחזת. התנועה המתמדת והייצור המוגבר של הריר מאפשרים הרחקה של הלכלוך, על מנת לא לאבד מיכולת ההיאחזות. הדבר דומה לשימוש בפלסטר: אם תנסו להשתמש שוב ושוב באותו הפלסטר, הוא יאסוף אליו גרגרי אבק ולבסוף יאבד את יכולת ההדבקה שלו. מנגנון הניקוי מהווה השראה לפיתוחי ביו-מימקרי נוספים בתחומי הרפואה, הרובוטיקה והאדריכלות.

גם בתחום התחבורה יש חשיבות למחקר זה. יכולתן של הצפרדעים להיצמד למשטחים רטובים באמצעות מבנה גאומטרי מיוחד ותנועה מתמדת, תוך כדי סילוק הלכלוך, מהווה השראה ליצירת צמיגי מכוניות בטיחותיים יותר, שמיוצרים בשיטה דומה: בליטות צפופות ותעלות ביניהן. כאשר המכונית נוסעת על כביש רטוב, המים הניתזים על ידי הגשם או מהכביש הרטוב עצמו פוגעים בבליטות שעל גבי הצמיגים, וזורמים החוצה מבין התעלות שבין בליטות הצמיג. מבנה הצמיג יוצר חיכוך גבוה והיצמדות חזקה בין הצמיג לכביש, ומוביל לירידה משמעותית בסיכוי להחלקה ולתאונה בעת נסיעה על כביש רטוב. צמיגים כאלה כבר נמכרים ונמצאים בשימוש כצמיגי חורף בארצות קרות.

הסוד נמצא בשערות. צילום: Michael Pennay.flickr
הסוד נמצא בשערות. צילום: Michael Pennay.flickr

אקרובטים ליליים

עטלפים ידועים כאקרובטים ליליים מעופפים. כשאנו חושבים על היכולות המופלאות של העטלפים לתפוס חרק מעופף בלילה, או לעוף דרך עץ סבוך כדי להגיע לפרי קטן בחשיכה, אנו מייחסים זאת ליכולת האקו-לוקציה שלהם (התמצאות במרחב בעזרת קול – סונאר).

עם זאת, חוקרים גילו חוש מפותח נוסף אצל אותם יונקים מעופפים: תאי חישה מיוחדים, שמחוברים לשערות זעירות. השערות נעות בהתאם ללחץ האוויר ולרוח שמופעלת עליהם. המידע שמגיע מאותם תאי חישה מאפשר לעטלפים לשנות את צורת כנפיהם בשבריר שנייה, לבצע תמרונים מסובכים במהירות, לרחף, לצלול, לתפוס את טרפם הזריז ולחמוק ממכשולים.

כאשר שערות החישה הוצאו מכלל פעולה באופן זמני על ידי החוקרים, העטלפים איבדו את יכולותיהן המופלאות והפכו למעופפים מגושמים. מלבד תפקיד חשוב ביציבות התעופה, לשערות חישה אלו תפקיד חשוב גם במגע: העטלפים משתמשים בכנפיהם גם כרגליים וגם כידיים. הם יכולים ללכת על ארבע כאשר הם נופלים על הרצפה, להשתמש בכנפיהם כדי לחבק את גוריהם, ולעתים הכנפיים משמשות אותם גם לטיפוס או לאחיזה. דפוס פעולה עצבי שונה מאפשר לעטלף להבחין בין  זרמי ולחצי אוויר בעת תעופה, לבין מגע בענף או בחרק מעופף.

שערות חישה נפוצות בכל עולם החי. חתולים, למשל, משתמשים בשערות השפם כדי לחוש את דרכם במעבר במקומות צרים וסבוכים. אפילו אצלנו, בני האדם, למרות שחושי המישוש שלנו קהים לעומת אלו של חיות רבות, השערות משמשות לחישה. המחקר הנוכחי עוזר לנו להבין את השינויים האבולוציוניים המורכבים שעברו על העטלף מיונק מהלך, ליונק מעופף וייתכן שלתגליות אלו יימצא מקום בשיפור כלי טייס אוטונומיים.

כפי שניתן לראות, הגישה הביו-מימקרית מאפשרת לנו להעתיק את המנגנונים המיוחדים והמופלאים שפיתחו בעלי החיים לאורך שנות האבולוציה ולהמיר אותם לפתרונות לחידות הנדסיות של העולם המודרני. בפעם הבאה שאתם נתקלים בתופעת טבע שמרתקת אתכם, הקדישו מספר רגעים להתבוננות, וזכרו שהטבע הוא מורה גדול. ייתכן שהפתרונות לבעיות שלכם נמצאים ממש מתחת לאף.




שתפו‬        


הירשמו לניוזלטר שלנו

עקבו אחרי זווית