תנועה בהשראת הטבע

אביב, תקופת התחדשות, פריחה ולבלוב. דורות חדשים של בעלי חיים מגלים עולם תוך כדי תנועה קרקעית, חתירה במים ומעוף אווירי. יונקים, בעלי כנף, פרוקי רגליים וחסרי חוליות, הולכים, מתעופפים, מנתרים או זוחלים על גחונם. כדאי להתבונן בתנועה הטבעית ולשאוב השראה.

 כישורי תנועה יעילים חיוניים לשרידותם של מרבית בעלי החיים, ורובם ככולם של בעלי החיים מסוגלים לנוע. תנועה זו נדרשת לקיומם כדי ללקט או לצוד מזון, לנוס מטורפים וציידים העולים עליהם בשרשרת המזון, או למצוא בן זוג ולשמור על המשכיות המין.

תנועתם של בעלי החיים אינה משוחררת מחוקי הפיזיקה, וכדי לנוע עליהם להשקיע אנרגיה ולהפעיל כוח, על מנת להתגבר על כוח הכבידה של כדור הארץ ועל כוחות חיכוך. לפי החוק השלישי של ניוטון – “חוק הפעולה והתגובה”, כל הפעלת כוח יוצרת תגובה נגדית שווה, וכדי להניע עצם הנמצא במצב מנוחה יש צורך להפעיל כוח על עצם אחר. תנועת בעלי חיים על פני האדמה, דוחפת קרקע יציבה, תנועת בעלי חיים מימיים דוחקת נוזלים, ובעלי חיים מעופפים מפעילים כוחות עילוי כדי להתרומם ולרחף באוויר. מחקרים שנערכו במחלקה לביומכניקה באוניברסיטת ברקלי שבקליפורניה גילו כי כל בעלי החיים, כולל בני אדם, יונקים, עופות, או פרוקי רגליים,  משתמשים באנרגיה מכנית שוות ערך ל – 1 ג’אול לק”ג כדי להרים את גופם מרחק של מטר.

בעלי חיים יבשתיים נעים במגוון של צורות, הכוללות הליכה, ריצה, דילוג, קפיצה, ניתור, זחילה, החלקה, או גלישה. בעלי חיים מימיים מסוגלים לנוע במים ובבוץ על ידי שחייה, חתירה, שיוט, ציפה או הנעה סילונית, ובעלי חיים אוויריים מנצלים כוחות אווירודינמיים כדי לנוע במעוף, ריחוף, או דאייה. תנועת בעלי החיים דורשת מנגנונים מורכבים לאגירת אנרגיה, לשימוש באנרגיה ולהפיכתה לתנועה מכנית בצורות שונות. התנועה דורשת, בין השאר, שלד חזק, צירי מפרקים, גידים גמישים, שרירים הניתנים לכיווץ ולשחרור, ורקמות המסוגלות להגיב כמו קפיצים, בלמים ומשככי זעזועים. התנועה דורשת גם מנגנונים מורכבים של איזון, שווי משקל וחושי התמצאות במרחב. תנועת בעלי החיים התפתחה במגמה להפיק את המיטב בניצול מקורות אנרגיה זמינים ולנוע באמצעותם למרחקים גדולים יותר או במהירויות גבוהות.

בעלי החיים הידועים בטבע לא עושים שימוש בגלגל כאמצעי תנועה, למעט סוג יוצא דופן של תולעים הנעות בדומה לגלגל על ידי קיפול זנבן לכיוון הראש ותנועות גלגול. אך בטבע ניתן למצוא מגוון של שיטות תנועה המאפשרות תנועה מהירה ובטוחה על משטחים מגוונים ומשתנים ובעלי צורות מגוונות. באמצעות רגליים ניתן לטפס על סלעים או מדרגות, לעבור מעל מכשולים ולרדת במדרונות. בעלי חיים שונים עושים שימוש בשיטות הצמדות למשטחים עליהם הם נעים, וחלקם מסוגל לנוע על קירות אנכיים וחלקים או על תקרות.

מרבית היונקים נעים על 4 רגליים. האדם הוא יוצא דופן בתנועתו על שתי רגליים, אך גם הקנגורו מנתר על שתי רגליים ובעלי כנף הולכים על שתי רגליים. למרבית החרקים 6 רגליים, לעכבישים 8 רגליים, אך קיימים גם חרקים מרובי רגליים, ובהם הנדל והמרבה רגליים. ישנם בעלי חיים הנעים ללא רגלים, כמו נחשים, הנעים באמצעות זחילה גלית מצד לצד או גלישה. תולעים זוחלות בתנועות פריסטלטיות גליות של כיווץ ושחרור. ישנם בעלי חיים המומחים בתנועה לא אופקית, כמו חיות המטפסות על עצים, או הנעים בקפיצות מענף לענף. ישנם בעלי חיים, ובהם חרקים ולטאות, המסוגלים לטפס על קירות תלולים וחלקים או לנוע על תקרות. חוקרים גילו כי קיים דמיון בשיטת תנועה המשותפת לבעלי החיים ההולכים על רגליהם, בין אם הם משתמשים בשתי רגליים ובין אם ברגליים מרובות. ההליכה או הריצה דומות להתקדמות באמצעות ניתורים על מוט “פוגו” קפיצי. כל צעד משחרר אנרגיה כמו קפיץ שמשתחרר ומעיף את מוט ה-“פוגו” מעלה וקדימה. כאשר המוט, או הרגל, פוגעות בקרקע, הקפיץ, או השרירים מתכווצים וצוברים אנרגיה לקראת הניתור או הצעד הבא. הליכה של בעלי חיים רגליים עושה שימוש מחזורי במערכות בלימה והאצה. בעלי רגליים מסוגלים לרוץ, כאשר רגליהם ניתקות לזמן קצר מהקרקע, או על ידי עשיית שימוש בחלק מהרגליים לסירוגין.

מרבית בעלי החיים מסוגלים לנוע זמן קצר לאחר לידתם. גוזלים של בעלי כנף ותינוקות של בני אדם דורשים תקופת הבשלה והכשרה עד לפיתוח כישורי תנועה מלאים. הליכה אנושית על שתי רגליים דורשת קואורדינציה טובה והתפתחות גופנית. פיתוח כישורי הליכה אצל תינוקות נמשך מספר חודשים, בהם הם עוברים בדרך כלל שלבים של זחילה, עמידה, ישיבה ולבסוף הליכה יציבה.

מימי קדם האדם הביט על בעלי החיים הסובבים אותו וניסה להבין את המנגנונים המניעים אותם. תצפיות אלו שימשו מקור השראה המעורר את הדמיון ולניסיונות חיקוי ופיתוח טכנולוגיות. במאה הרביעית לפני הספירה, אריסטו כתב חיבור בשם “על תנועת בעלי חיים”. אריסטו ניסה למצוא מכנים משותפים ושיטתיות בתנועת בעלי החיים והקיש מאופן המחשבה של בני אנוש: “…כעת אנו רואים שהיצורים החיים נעים על ידי ידע, דמיון, מטרה, שאיפה ותיאבון. וכל אלה יכולים להצטמצם למחשבה ושאיפה. שכן גם דמיון ותחושה נמצאים על קרקע משותפת עם המחשבה, מכיוון שכל השלושה הם כישורי שיפוט למרות שונותם…” אריסטו גם השווה בין תנועת בעלי החיים לטכנולוגיות, כאשר כתב: “ניתן להשוות תנועות של בעלי חיים לאלו של בובות אוטומטיות, אשר מונעות ללכת בהתרחש תנועה קטנה, המנופים משוחררים, ומכים את החוטים השזורים אחד נגד משנהו, או עם עגלת צעצוע, המשמשת להציב עליה ילד ולהניע אותו ישר קדימה, ואז שוב היא נעה במעגל מכיוון שהגלגלים שלה בעלי קוטר שונה,….לבעלי חיים יש חלקים מסוג דומה, האברים שלהם, הגידים המתוחים פועלים בתבונה, והעצמות הם כמו מנופי עץ באוטומט, והברזל, הגידים הם כמו החוטים, מכיוון שכאשר הם נמתחים או משתחררים התנועה מתחילה. מכל מקום, באוטומטה ועגלת הצעצוע אין שינוי באיכות, גם אם הגלגל הפנימי הופך להיות קטן יותר וגדול יותר על ידי פניות תהיה אותה תנועה סיבובית. בחיה אותו חלק הוא בעל כוח להיות פעם גדול יותר ופעם קטן יותר, ולשנות את צורתו, כאשר החלקים גדלים על ידי חום ושוב מתכווצים על ידי קור ומשנים את איכותם. שינוי זה באיכות נגרם על ידי דמיון, תחושה ורעיונות.”

באמצע המאה החמש עשרה, לאונרדו דה-וינצ’י, ערך תצפיות רבות בבעלי חיים ובפרט בבעלי כנף בניסיונות להבין ולחקות את מעופם. דה וינצ’י צפה במעוף ציפורים ותאר את התרשמותו מדאיית הנשרים,  הוא ניתח עטלפים בניסיונות להבין את האנטומיה של הכנפיים ואת סודות מעופם של בעלי הכנף. על בסיס התצפיות בטבע לאונרדו דה-וינצ’י התווה תרשימים של כנפיים, בשאיפתו ליצור כלי תעופה מלאכותי. “אם ציפורים יכולות לעוף, כך גם האדם יוכל לעוף”, כתב דה-וינצ’י.

במחקר המודרני התגבש תחום החוקר את המכניקה של תנועת בעלי החיים – הביומכניקה. תחום מחקר זה, מנסה להבין את המכניקה הפועלת בתנועת בעלי החיים ולהקיש מהתנועה הביולוגית ליישומים מעשיים ולפיתוח מערכות הנדסיות וטכנולוגיות, כמו רובוטים המסוגלים לנוע על משטחים מגוונים. הבנת התנועה של בעלי החיים התקדמה בשנים האחרונות כתוצאה מפיתוחים טכנולוגיים, כמו מחשבים ומצלמות מהירות ובעלות רזולוציה גבוהה. מצלמות מהירות מתעדות תנועות זעירות ועדינות המתרחשות בטבע במהירויות עצומות, וכאשר צופים בתנועה במהירות איטית ניתן לגלות הבחנות חדשות שלא ניתן היה לצפות בהן עד לאחרונה בעין רגילה או במצלמות פחות משוכללות. ד”ר רוברט פול הוא ביולוג מאוניברסיטת ברקלי החוקר את תנועתם של בעלי החיים ומנסה לגלות ולהבין את נפלאות התנועה בעולם החי, ולהסתייע בהם כמקור השראה לתכנון רובוטים. מחקריו הבחינו בתופעות מעניינות כמו השימוש היעיל שעושים עכבישים בכל אורך רגליהם ולא רק בכפות הרגליים כדי לנוע, השימוש היעיל שעושים תיקנים בקוצים היוצאים מרגליהם כדי לשפר את אחיזתם ולהקל על תנועתם, או המנגנון המופלא המקנה לשממיות יכולות לנוע במהירות על קירות. נסקור מספר תופעות מופלאות הקשורות לתנועתם של בעלי חיים שונים:

* הברדלס, (הצ’יטה) הוא היונק היבשתי המהיר בטבע, המסוגל לרוץ משך זמן קצר למהירות העולה על מאה קמ”ש, בדילוגים שמגיעים עד למרחק של 8 מטרים.

* שממיות מסוגלות לטפס על קירות אנכיים ולנוע על תקרות, לבצע 30 צעדים בשניה ולנוע במהירות של מטר בשנייה. סודן של השממיות הוא רגלי מגע הנצמדות למשטחים עליהם הן נעות באמצעות קשרים בין-מולקולריים. ברגל של שממית יש כחצי מיליון שערות קטנות, שלכל אחת מהן ענפים דקים עם ביליוני קצוות היוצרים מגע הדוק עם כל משטח. רגלה של שממית מסוגלת להיצמד למשטח תוך 8 אלפיות שנייה ולהינתק ממנו בתנועת “קילוף” תוך 16 אלפיות שנייה. חוקרים מצאו שאם כל הזיפים על אחת מרגלי השממית היו באים במגע עם משטח ניתן היה לשאת באמצעות חיבורם למשטח משקל של 30 קילוגרמים. נמלים מסוגלות אף הן ללכת על קירות אנכיים באמצעות חומר דביק הנמצא ברגליהן.

* תיקן אמריקאי, רץ בשנייה 50 צעדים ומתקדם מרחק פי חמישים מאורך גופו. בקנה מידה של בן אדם, התיקן היה רץ במהירות העולה על 450 קילומטרים בשעה. תיקנים משפרים את אחיזתם למשטחים עליהם הם נעים באמצעות “קוצים” היוצאים מרגליהם.

* זבוב הפירות מנופף בכנפיו 200 פעמים בשניה, ויש לו מנגנונים מורכבים של הטיית הכנפיים בזוויות שונות כדי ליצור כוח עילוי ולנווט את תנועתו. באמצעות 8 נפנופי כנפיים זבוב יכול להתרומם באוויר.

* עכבישים מסוגלים לרוץ בשניה מרחק של פי 70 מאורך גופם. העכבישים עושים שימוש בכל אורך רגליהם לצורך מגע עם המשטחים עליהם הם נעים, ולכן הם מסוגלים ליצור מגע ולנוע על שטח גם אם הוא בצורת רשת שהוסר ממנה 99% משטח המגע.

* פרעושים מסוגלים לקפוץ לגובה פי 150 מגובהם, כשהם מבצעים מאות קפיצות בשעה, ולאורך זמן, בעת הקפיצה הם מאיצים פי 50 מהר יותר ממעבורת חלל. זואולוגים התקשו להסביר את התופעה במושגים מקובלים של שרירים ואנטומיה, וחקר הנושא גילה כי לפרעושים חלבון גמיש מיוחד הנדרך כמו קשת ומנגנון דמוי ניצרה המשחרר את הכוח באופן מרוכז, לפני הניתור.

טכנולוגיות שפותחו בידי בני אנוש שיכללו מערכות המסוגלות לנוע על הקרקע, בים ובאוויר עם מעטפות ביצועים העולים על אלו של בעלי חיים. כלי רכב קרקעיים, רכבות, אוניות ומטוסים מסוגלים לנוע במהירויות גבוהות, למרחקים ארוכים ולשאת מטענים כבדים. אך התנועה בטבע מגמדת את הטכנולוגיות האנושיות בתחומים רבים. מדובר בתנועה מורכבת העושה שימוש יעיל ומיטבי במקורות אנרגיה זמינים, ובמנגנונים מורכבים, משוכללים, בטוחים וברי-קיימא עשרות מונים מאלו המשמשים טכנולוגיות הנדסה מעשה ידי אדם. האדם עדיין רחוק מחיקוי מעוף הדבורה או הזבוב, או מחיקוי כושר ההצמדות של רגלי שממית – התנועה בטבע מעוררת מעוררי פליאה, השתאות והשראה.

מקורות וחומר לעיון:

On the Motion of Animals by Aristotle

Animal locomotion

הרצאה של רוברט פול באתר TED

http://polypedal.berkeley.edu/twiki/bin/view/PolyPEDAL/LabHighlights

http://www.dukenews.duke.edu/2005/12/locomotiontheory.html

 When vortices stick: an aerodynamic transition in tiny insect flight / Laura A. Miller, Charles S. Pesin

Wing Rotation and the Aerodynamic Basis of Insect Flight / M.H. Dickingson, F.O .Lhemann, S.P. Sane

דף הבית של פרופ’ מרק ר. קוטקוסקי, העוסק בבניית רובוטים בהשראת הטבע

Leave a Reply