تطوير أنظمة جمع ونقل المياه على أساس خصائص الخنفساء الصحراوية والخنفساء الأنثوية
كيف يمكن للتعلم من الحيوانات والنباتات تحسين حياتنا؟ تتمتع أجسام الحيوانات والنباتات بآليات تطورية وكيميائية وميكانيكية تسمح لها بالتكيف مع البيئة. المحاكاة الحيوية هي فرع من فروع البحث (من بين أمور أخرى في الهندسة والبيولوجيا والكيمياء والفيزياء) الذي يدرس نشاط الطبيعة وتقليده من أجل إيجاد حلول لمشاكل الإنسان. على سبيل المثال، من الممكن تطوير آليات ديناميكية هوائية للطائرات تعتمد على طيران الطائر أو أدوات تجميع المياه تعتمد على آليات تخزين المياه الموجودة في الصبار.
وفي مختبر المحاكاة الحيوية للأنظمة الميكانيكية والأسطح في كلية الهندسة الميكانيكية بجامعة تل أبيب، يتم فحص خصائص وآليات عمل الحشرات، ويتم بناء أنظمة هندسية مستوحاة منها. الدكتورة بيت البانشيك، التي ترأس المختبر: "للحشرات آليات (مثل آليات الدفع)، وأسطح (الطبقة الخارجية للجسم) وخصائص مادية تطورية تتكيف معها وتساعدها على التكيف مع البيئة والبقاء على قيد الحياة، ويمكننا أن نتعلم الكثير منهم. على سبيل المثال، من أجل إنجاب ذرية إلى العالم، يتعين على أنثى الجراد أن تحفر في الأرض وتضع بيضها فيها. ولهذا السبب تولد بزوجين من الأقدام المخصصة للحفر، وتزداد قوتها الميكانيكية 19 مرة مع نضوجها (خلال ثلاثة أسابيع تقريبًا من ولادتها)؛ تتحول المادة المركبة التي تصنع منها (والتي تتكون من عدة مواد بما في ذلك الألياف والبروتينات) إلى مادة صلبة للغاية.
بالإضافة إلى أنها عندما تحفر تمد بطنها لحماية البيض وتزويده بالرطوبة. في المختبر نقوم بقياس (بالتعاون مع البروفيسور أمير إيلي من كلية علم الحيوان في جامعة تل أبيب)، ميكانيكا المواد المخالب (على سبيل المثال نقاط القوة والضعف فيها) ويمكن الاعتماد عليها في بناء أنظمة هندسية قابلة للتكيف إلى بيئات مختلفة. على سبيل المثال، قمنا بإنشاء نموذج أولي لروبوت ناعم، يمكنه من ناحية أن ينحني ويمر عبر الانحناء ومن ناحية أخرى يمكنه التمدد وتغيير الاتجاه والوصول إلى النقطة التي نحددها له. ومن خلال استطالة بطن أنثى الجراد، يمكننا أيضًا التعرف على مرونة الأنسجة واستخدام المعرفة للتطبيقات في مجال هندسة الأنسجة."
وهناك حشرة أخرى تتعلم منها الدكتورة بانهسيك وفريقها وهي خنفساء صحراء ناميب (في جنوب غرب أفريقيا)؛ يتركز ندى الصباح على شكل قطرات في بقع محبة للماء (جاذبة للماء) على ظهر الخنفساء، وعندما ترفع مؤخرتها تتدحرج هذه القطرات إلى فمها. وبهذه الطريقة، تمكنت من جمع الماء من الهواء والبقاء على قيد الحياة في الصحراء. واعتمد الباحثون في أحد مشاريعهم الأخيرة على هذه البيانات لغرض تصميم أسطح ذات نقاط محبة للماء واتجاه معين للحركة تساعد على تركيز قطرات الماء ونقلها في الاتجاه المطلوب. وقد وضعوا هذه الأسطح في غرفة مناخية قاموا ببنائها، حيث يمكن إنشاء درجات حرارة مختلفة ودراسة تأثيرها على كمية المياه التي يمكن جمعها. على سبيل المثال، قاموا بإنشاء درجات حرارة منخفضة ورطوبة عالية - وهي الظروف اللازمة للتكثيف.
يقول الدكتور بانهسيك: "في كل مشروع مثل هذا، نقوم بالتحقق من خصائص المادة والسطح الذي سينتج أفضل أداء. في هذه الحالة، قمنا بإنشاء أسطح لتجميع المياه السلبية (بدون استثمار الطاقة) ونأمل أن يكون من الممكن في المستقبل البناء عليها في بناء أسطح كبيرة ستنتج عدة لترات من الماء يوميًا.
وفي مشروع آخر - حصل على منحة بحثية من مؤسسة العلوم الوطنية - استلهم الباحثون من العضو الذي تخزن فيه أنثى بق الفراش الحيوانات المنوية للذكر حتى تنضج الظروف البيئية لحمل ناجح. وهذا العضو مبني بحيث لا يخرج منه الحيوان المنوي إلا في لحظة الحقيقة، وبعد ذلك - لا يتدفق إلا في اتجاه واحد. وبمساعدة برامج الكمبيوتر، صمم الباحثون نوعا من القنوات ذات الاتجاه الواحد التي يمكن استخدامها لتخزين المياه من البيئة وتوجيهها في اتجاه معين. إن هندسة القنوات - على سبيل المثال توسيع وتضييق نقاط معينة وتفاوت الارتفاعات على طولها - تسمح بتدفق المياه فيها في اتجاه واحد. ثم قام الباحثون بطباعة القنوات من مواد صناعية صلبة باستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد. "لقد أنشأنا نموذجًا لجمع السوائل وتحريكها في اتجاه معين. أي نموذج أولي يمكن من خلاله تصميم أنظمة ستعمل في المناطق التي تعاني من نقص المياه أو ستستخدم للأغراض الصناعية (مثل المصانع التي يجب تفريغ المياه المتراكمة على الأنابيب فيها). وفي هذه الحالة أيضًا، اعتمدنا على البنية الأولية كما هي موجودة في الطبيعة ثم قمنا بتغيير هندستها لتحقيق الأداء الأمثل".
الحياة نفسها:
الدكتورة بيت إيل بانهسيك، 37 عامًا، متزوجة ولديها طفلان (4 و2.5 عامًا)، تعيش في تل أبيب. تحاول معظم الوقت تحقيق التوازن بين الحياة الأكاديمية وتربية الأطفال.
