מאת: יפעת זר, מידענית, מהנדסת כימיה מרכז מידע, מדור ידע וחדשנות המוסד לבטיחות ולגיהות
תאריך:31/01/2022
משחר האנושות האדם התבונן, חקר וחיקה את הטבע, על החי, הצומח והדומם שבו. המושג "ביומימיקרי" (bio – חיים, mimicry – נגזר מהמילה mimesis, שטבע אריסטו, ומשמעותה חיקוי) אומנם הוטמע לפני עשרות שנים בלבד, אך יישומו החל כבר לפני מאות ואולי אלפי שנים. ליאונרדו דה-וינצ'י היה תומך נלהב בשימוש בטבע כמקור השראה. הוא הבין שלבעלי החיים ולצמחים כ"מהנדסי הטבע" קיימים פתרונות הנדסיים יעילים, שעוצבו במשך מיליוני שנות אבולוציה, והיה הראשון שחתר ליישם אותם כפתרונות לבעיות אנושיות.
הביומימיקרי התגבש בעשרות השנים האחרונות כתחום דעת מדעי, העוסק בחיקוי מתודולוגי של עולם הטבע ומזוהה כמחולל רעיונות חדשניים ובני קיימא, וחוקרים, מהנדסים ומתכננים בוחנים את המאגר הבלתי נדלה של רעיונות, מבנים, חומרים ותהליכים סביבתיים בני-קיימא מעולם הטבע, לצורך יישומם כמודלים לחיקוי בהתמודדות עם אתגרים תכנוניים במגוון תחומים. ההתפתחות הטכנולוגית של העשורים האחרונים שכללה את יכולת המידול, החקר והיישום של פתרונות הטבע בהתמודדות עם סוגיות טכנולוגיות, הנדסיות וסביבתיות.
להלן שלוש דוגמאות של פיתוחי ביומימיקרי בתחום הבטיחות בעבודה:
אפוד מגן
אפוד מגן בעל מבנה דו-שכבתי גמיש ועמיד בפני פגיעה תוכנן בהשראת מבנה הקשקשים של דגי Teleost, דגי כליל-גרמיים - דגי גרם מקריני סנפיר, הנפוצים בים ובנהרות.
מקור: אנציקלופדיה בריטניקה
הקשקשים שעל גוף הדגים מספקים עמידות גבוהה לחדירה בזכות המבנה הדו-שכבתי שלהם. השכבה החיצונית של הקשקשים קשיחה ועמידה בפני פגיעות, כגון נשיכות ושריטות ומאפשרת פיזור כוח הפגיעה כדי להגן על שכבת הקולגן הרכה יותר שמתחתיה. כל פגיעה המגיעה אל שכבת הקולגן נהדפת על ידי רשת הסיבים שלה, המתגמשת תחת לחץ לפיזור כוח ההשפעה של הפגיעה.
לאפוד המגן שתוכנן, בדומה לדגי ה-Teleost, יש מבנה דו-שכבתי: השכבה החיצונית עשויה קרמיקה קשיחה, והשכבה הפנימית מבוססת על פוליאתילן בעל משקל מולקולרי גבוה מאוד. ה"קשקשים" המרוכבים מסודרים במבנה היררכי ונתמכים בשכבות של סיבי Kevlar (סיב סינתטי). מבנה זה מסוגל להגן גם מפני פגיעות קשות, כגון פגיעות של קליעי רובה.
|
על ה-Kevlar
אריג ה-Kevlar הוא פולימר סינתטי, אשר פותח בחברת "דו פונט" על ידי הכימאית סטפאני קוולק בשנת 1965. האריג בטיחותי מאוד. הוא בעל חוזק של פי 5 מפלדה, עמיד בפני פגיעות חיתוך, חומרים כימיים וקורוזיביים, בעל מוליכות חשמל אפסית והתכווצות תרמית מועטה. נוסף על תכונות אלו, משקלו העצמי נמוך מאוד והוא גמיש וקל לעיבוד.
שימושי ה-Kevlar:
Kevlar משמש כיום בתעשיית המיגון הבליסטי כחומר עיקרי בקבוצת המיגון האישי. הוא מגן נגד רסיסים ועד רמת מיגון של נשק חודר שריון.
כפפות Kevlar הן פריט חובה בציוד המגן האישי של עובדים בחום גבוה, כגון עובדי מפעלי יציקות, מלט וכימיה. רתכים ומלחימים משתמשים בכפפות אלו, העמידות בפני חיתוך ואש.
עובדים במוסכים מכירים את רפידות הבלמים האיכותיות, אשר בעבר היו עשויות אסבסט וכיום
ה-Kevlar הוא אחד המרכיבים שלהן.
|
נעליים למניעת החלקה
סוליות נעליים בעלות פני שטח בולטים היוצרים חיכוך עם הקרקע ומפחיתים סיכון להחלקה ולנפילה תוכננו בהשראת קשקשי הנחש.
מקור: asknature
נחשים, כחסרי חוליות, צריכים לנתב את דרכם על פני מגוון סוגי משטחים, כולל משטחים חלקים או רטובים. מבנה הקשקשים שעל גחון הנחש מסייע לו לנוע תוך חיכוך עם פני משטח הזחילה בכיוון ובמסלול הרצוי לו - בלי להחליק. קשקשים אלו בנויים מתצורות מזעריות, היוצרות מערכי התקדמות "מנוצים" (מלשון נוצה) בצורת וי, אשר הקצוות המחודדים שלהם פונים לכיוון זנב הנחש, ובמינים מסוימים הקצוות מוגבהים מעט. כאשר הנחש זוחל, פני שטח הגחון שלו נעים בקלות למעלה וקדימה מעבר לקצוות הבולטים, ואילו בזחילה אחורנית הקצוות המחודדים פועלים כמו לשונות מתכת, החודרות בין שיניו של גלגל ומונעות את סיבובו. כך, כאשר הנחש נע קדימה נוצר חיכוך נמוך עם משטח הזחילה וכאשר הנחש נע מצד אל צד או אחורנית נוצר חיכוך גבוה ואחיזה טובה עם פני משטח הזחילה.
סוליות הנעליים שפותחו מורכבות ממשטח דק של פלדה בעל חיתוכים עדינים ומדויקים, המחקים את קשקשי גחון הנחש. החיתוכים מבוצעים באופן החיתוך של אומנות ה"קיריגמי" היפנית, תת-תחום באומנות האוריגמי, שבה הנייר עובר קיפול וחיתוך לקבלת מבנה תלת-ממד. החיתוכים מאפשרים לחומר להשתנות בהתאם לאופי פני משטח הדריכה של האדם. בעת הצעידה משקל האדם נוטה מהעקב אל הבהונות, וזה גורם לסוליה להימתח ולחיתוכים המחודדים לבלוט מפני השטח של הסוליה, כמו מסמרים זעירים, "החופרים" לתוך המשטח ויוצרים חיכוך איתו. כשהרגל מתיישרת, החידודים נכנסים אל תוך הסוליה, אשר הופכת לחלקה. בהשוואה לנעלי בטיחות מסחריות מונעות החלקה, משקל הנעליים הללו נמוך יותר, הן קלות יותר להסרה ולנעילה ויוצרות חיכוך רב יותר עם פני משטח הדריכה.
גלאי/חיישן מימן
גלאי מימן, הפועל בעזרת אלומת אור בטמפרטורות נמוכות במקום אנרגיית חום, פוּתח בהשראת כנפי הפרפר.
כנפי הפרפר נראות בצבע שחור משום שהן מסוגלות לספוג אור ולהחזיר מעט מאוד ממנו חזרה. זה קורה בזכות רשת בליטות, חריצים ותלמים על פני השטח של הכנפיים, אשר מתעלים פוטונים של אור אל תוך הכנפיים. אלומות של קרני האור חודרות אל פני שטח הכנפיים ומתפזרות עד שנספגות בהן כמעט לגמרי.
חיישני / גלאי מימן משמשים בתעשייה למעקב אחר ריכוז גז המימן בחללי עבודה. גלאים אלו פועלים בטווח טמפרטורות גבוה (150 -400 מעלות צלזיוס) וצורכים כמות גדולה של אנרגיה לצורך תפעולם, דבר שגורם לעלויות תפעול גבוהות.
חיישן המימן שפותח מורכב מבליטות, המחקות את אלו המצויות על פני שטח כנפי הפרפר. הבליטות הן, למעשה, קריסטלים פוטוניים כדוריים בגודל מיקרוני, היעילים מאוד בספיגת אור. אלומות אור החודרות דרך הקריסטלים מספקות את האנרגיה לתפעול החיישן ומחליפות את אנרגיית החום. כך יכול החיישן לפעול ביעילות גם בטמפרטורת החדר, ללא צורך בהשקעת אנרגיית חום.
בייצור החיישן מצפים שבב אלקטרוני בשכבה דקה של קריסטלים פוטוניים ומעליה שכבה מרוכבת של טיטניום – פלדיום. כאשר המימן פוגע בשבב, הוא מגיב כך שהגז הופך למים ואלו מעבירים זרם חשמלי. עוצמת הזרם הנמדדת על ידי החיישן משמשת כמדד מדויק לריכוז המימן באוויר חלל העבודה, גם בנוכחות גזים אחרים, כמו תחמוצת חנקן באותו חלל עבודה. החיישן מסוגל לזהות נוכחות מימן אף בריכוז נמוך של ppmי 10 ועד ריכוז של ppmי40,000 - הריכוז שבו המימן נהיה פציץ.
|
על המימן
למימן אין ריח, צבע או כל סימן אזהרה אחר. המימן קל מהאוויר, ובמקרה של דליפה יצטבר קרוב לתקרה. ריכוזו עלול לעלות מעבר לגבול הנפיצות התחתון שלו, וכל ניצוץ יכול לגרום לפיצוץ או לשרפה. המימן דליק ביותר, בעל גבול נפיצות 4-75% (ריכוז נפחי באוויר) טמפרטורת ההצתה העצמית שלו היא 585 מעלות צלזיוס. הוא מגיב עם חומרים מחמצנים ומתפוצץ בתערובת עם חמצן. המימן אינו רעיל, אך עלול לגרום לחנק עקב דחיית האוויר והורדת ריכוז החמצן במקרה של דליפת כמות גדולה של הגז.
בחדר שיש בו שימוש במימן או שעלול להיפלט בו מימן, כמו בחדר מצברים, מומלץ להתקין מערכת חישה לגילוי נוכחות מימן מעל המתקן הפולט מימן או מעל החיבורים, או הברזים שמהם עלול לדלוף מימן.
|
מקורות
1. ה"פלדה המלאכותית" שמצילה חיים, יואב גרשון, המוסד לבטיחות ולגיהות, 2002
2. מימן – הערות בטיחות כלליות, אריה אוקסמן, המוסד לבטיחות ולגיהות, 2002
3. טבע למהנדסים, ביומימיקרי, הנדסת מכונות, יעל הלפמן כהן, 2016
4. Innovation inspired by nature , ask nature