חיל האוויר האמריקני החליט לממן מחקר חדש של שלד חיפושיות במטרה להתחקות אחרי המבנה הייחודי של השיריון שלהם. מטרת המחקר היא למפות את מבנה השלד ולנסות לחקות אותו בעזרת חומרים סינטטים שישמשו בעתיד לתעשיית הרכב, התעופה והחלל.
זה לא חדש שעולם הטבע מספק לנו לא אחת השראה לפיתוחים טכנולוגיים מבוססי תכונות ביולוגיות. אפשר ללכת אחורה עד האחים רייט שהבינו את מבנה הכנף של יצורים מעופפים ובנו עם הידע הזה את המטוס הראשון שהונע בעזרת מנוע ונשלט על ידי אדם שישב בתוכו. בעולם הים שופרו במהלך השנים תכונות רבות של כלי שייט צוללים על סמך ניתוח של תנועות בעלי חיים ימיים. המגמה הזו רק התעצמה עם השנים ככל שכלי המחקר המדעי השתפרו. כיום תחום המחקר הזה מממון בחלקו הגדול על ידי גופים ממשלתיים שחוברים למוסדות אקדמיים. המטרה היא להאיץ את תהליכי המחקר ולתרגם אותם ככל הניתן לשימושים תעשייתיים.
מעבדת המחקר של חיל האוויר האמריקני – Air Force Office of Scientific Research – הוציאה לפני כשנה קול קורא למחקר תכונות שלד וכנפיים של חיפושיות, במטרה ללמוד מכך על חומרים חדשים. במכרז למחקר של 4 שנים בתקציב של 900,000 דולר זכו שני מדענים, פרופסור דייוויד קיסאליוס, מומחה להנדסת חומרים מאוניברסיטת UC Irvine ופאבלו זאבטיירי, פרופסור להנדסה אזרחית מאוניברסיטת Purdue. מטרת המחקר שהוגדרה לשני החוקרים היא ללמוד ולאתר מאפיינים ייחודיים של שלדים חיצוניים בעולם החרקים, במטרה לתרגם את הממצאים לחומרים סינטטים שישמשו לעולם התעופה, מוצרים בטחוניים ורכיבים לתעשיית החלל.
תמונה: חיפושית ironclad diabolical אמריקנית צילום: Jesus Rivera / UCI
פרופסור קיסאליוס פירסם בשנת 2020 מאמר במגזין הנחשב NATURE מחקר של חיפושית בשם diabolical ironclad beetle. החיפושית הזו נפוצה בעיקר במדבריות בדרום ארצות הברית וצפון מכסיקו. היא נחשבת לבעלת שיריון חזק מאד בהשוואה למשקל הגוף שלה. במחקר הצליחו החוקרים למפות בצורה תרשימית את מבנה השלד החיצוני של החיפושית והמבנה הביולוגי שלו. במחקר החדש של חיל האוויר האמריקני אמור הצוות של פרופסור קיסאליוס להמשיך לחקור את החיפושית האמריקנית, אבל הפעם תוך כדי השוואה לחיפושית דומה שחיה ביפן, rhinoceros beetle – חיפושית קרנף. החיפושית היפנית בשונה מזו האמריקנית, יכולה לעוף למרות הקשיחות והחוזק של השיריון החיצוני שלה.
“במחקר הנוכחי אנחנו מתכוונים לעשות שימוש באמצעים מתקדמים מאד, כדי להתחקות אחרי מבנים חדשים של חומרים” אומר פרופסור קיסאליוס. “מדובר כאן במחקר חוצה תחומים – מולטי דיסיפלנארי – שמשלב ביולוגיה, פיסיקה והנדסת חומרים. אנחנו רוצים להוכיח שניתן על סמך מבנים ביולוגיים לייצר חומרים סינטטים חדשים ועדיין להגיע לרמת קשיחות ועמידות שדומה לזו של שלד החיפושיות”.
במחקר יבחנו החוקרים את החיפושיות בעזרת מיקרוסקופים בעלי רזולוציה גבוהה, ציוד מיפוי ספקטראלי ומיכשור ננו מכני. התוצאות יוכנסו לתוכנות מידול ממוחשב בכדי להתחקות אחרי המבנה הננומטרי של החומר הטבעי. המטרה היא לבחון את הדומה והשונה בין שתי החיפושיות דרך ניתוח המבנה היחודי של שתי שכבות שיריון שונות. הסיבה שנבחרו שתי חיפושיות שונות היא היכולות השונות של כל אחת מהן. בעוד חיפושית הקרנף היפנית יכולה לעוף דרך פריסת כנפיים ועדיין לשמור על שכבת הגנה קשיחה, החיפושית האמריקנית אינה יכולה לשנות את צורתה. אבל בשונה מהחיפושית היפנית, החיפושית האמריקנית יכולה לעמוד בדריסה של רכב. כלומר, מבנה הגוף שלה קשיח יותר בשל העובדה שהוא לא בעל יכולת תנועה נרחבת. בנוסף מהמחקר שהתפרסם ב 2020 התברר כי החיפושית האמריקנית עמידה מאד בתנאי מזג אוויר קיצוניים של חום ,קור ורוחות חזקות. כל המרכיבים הללו הם למעשה חיקוי של תנאי סביבה בחלל. החומר אמור לעמוד בזעזוע חזק בשלב ההאצה מכדור הארץ לחלל, בחום גבוה בשעת היציאה ואחר כך הכניסה לאטמוספירה, ולעמוד בתנאי חוסר כבידה וקרינה גבוהה בחלל. אחרי שיושלם המודל המבני של השיריון הסינטטי שיורכב על סמך זה של החיפושיות אמורות כל התכונות הללו להיבדק בתנאי מעבדה.
“המטרה היא לא להתחקות רק אחרי החוזק היחסי של השלד הטבעי (שיריון החיפושיותיכול לעמוד באופן יחסי בלחצים ותנאי סביבה קיצוניים בהשוואה לגודלן ומשקל גופן – א.ב.ש), אלא גם לשפר את היכולות של החומר החדש לשימושים מגוונים”ף אומר פרוםסור קיסאליוס. “כיום היכולת ליצור חומרים סינטטים מוגבלת לתחומים מאד מסויימים. הכוונה היא ליצור חומרים קלים ועמידים לתנאי סביבה קשים לתעשיית המטוסים, החלל וגם לציוד הגנה אישית”.
לא בכדי פרופסור קיסאליוס מזכיר את ציוד המיגון. בעקבות המלחמות באוקראינה וברצועת עזה, השימוש במיגון קרמי התגלה כקריטי. כיום החומר מהם מורכבת שכבת ההגנה מתבססים על סוג של קרמיקה צפופה, שהחסרון שלה הוא המשקל שמכביד מאד על כוחות החי”ר. אחד מכיווני המחקר שמסתמנים בפרויקט הזה של חיל האוויר האמריקני הוא הבנה של מערכת החלבונים שמרכיבים את שכבות ההגנה השונות של החיפושיות. החוקרים רוצים להתחקות אחרי הדרך שבה בונות החיפושיות את השיריון וכיצד הוא מתפתח לאורך זמן. על פי הקול הקורא, המבנה החלבוני יכול לסייע בבניית לבנות תרשימים מדוייקים של החומרים החדשים בכדי לשכפל אותם בצורה סינטטית.
