אקטואציה ביונית רכה מסבירה את התפקיד התפקודי של שריקת שפם בחישת שפמים של כלבי ים

חוש תת-מימי סודי של כלב ים

כלבי ים יכולים לרדוף אחרי דגים במים חשוכים וקופאים שבהם הראייה כמעט חסרת תועלת, ועדיין לעקוב אחר הנתיבים הבלתי נראים שהטילה טרפתם. המחקר הזה בוחן כיצד הצורה והתנועה המיוחדות של שפמי הכלב הימני ממירות תנועות מים חלשות לאותות ברורים, וכיצד מהנדסים בנו העתק רובוטי רך כדי להבין וביום מן הימים לשלב יכולת זו בטכנולוגיה תת-מימית.

כיצד שפמים קוראים את המים

חיות רבות משתמשות בתנועה כדי לחוש את עולמן: עטלפים שולחים קול, בעוד חולדות מגלגלות את שפמיהן על פני חפצים. כלבי ים עושים משהו דומה במים. שפמיהם מלאים בעצבים ויכולים לזהות גלישושים זעירים שנוצרים על ידי דגים שוחים. לשפמי כלב הים הנמליים יש צורה מתולתלת ומורכבת, בעוד לשפמי אריה הימי של קליפורניה יש מבנה חלק. חשבו שהצורה המתולתלת מרגיעה רטטים בלתי רצויים שנוצרים משחיית בעלי החיים עצמם, כך שרק הזרימה מהטרף בולטת. עד כה, עם זאת, רוב הבדיקות השתמשו בדגמים פלסטיים קשיחים או התייחסו לשפמים כתחושנים ללא תנועה, תוך התעלמות מהעובדה שכלבי ים אמיתיים מהווים אותם באופן פעיל.

בדיקה של שפמים אמיתיים בזרימת מים

החוקרים השוו שפמים אמיתיים של כלב ים נמל ושל אריה ימי של קליפורניה במנהרת מים. בעזרת לייזר למדידת תנועה מיקרוסקופית, הם בדקו תחילה עד כמה כל שפם רעש כשחלפה רק זרימה יציבה. שפם האריה הימי חלק רעד חזק, בעוד שפם כלב הים המתולתל הזיז בערך פי שלוש פחות. כאשר הצוות הוסיף גליל במעלה הזרם כדי לחקות את הערבול של הזרם מאחורי דג, שני השפמים החלו להתנודד בקצב עם הוורטקסים החוזרים. עבור שפם כלב הים הנמל, האות השימושי מהערבול היה חזק יותר מרעש הרקע הנובע מרטט עצמי ביותר מחמישים פעם, הרבה יותר מאשר עבור שפם האריה הימי.

בניית שריר מלאכותי רך

בטבע, כלבי ים אינם פשוט מחזיקים את שפמם נוקשים; הם מרעידים אותם הלוך ושוב ודוחפים אותם קדימה כאשר הם מרגישים טרף. כדי לחקור התנהגות פעילה זו, הצוות יצר שריר מלאכותי רך באמצעות מפעיל אלקטרוהידראולי, שקית גמישה מלאה בנוזל ומעוטרת באלקטרודות דקות. כאשר מוחלת מתח גבוה, השקית מתנפחה ומתכופפת, ממש כמו שריר מתכווץ. המדענים צרפו שפם אמיתי של כלב ים, המונח בתוך זקיק מלאכותי רך, אל המפעיל הזה. המכשיר יכל לנער את השפם בכדי כ-17 מעלות, בהתאמה לזוויות שנמדדו בכלבים חיים, אפילו תוך כדי התנגדות לגרירה מזרימת מים. הוא הגיב בתוך עשיריות שנייה ועבד באמינות על פני מחזורים רבים, בדומה לשריר טבעי.

שריקת שפם פעילה מחדדת את האות

עם המערכת הביונית הזו, הצוות מדד את תנועת השפם בשלוש מצבים: מהודק בנוקשות, מוחזק באופן רפוי ומוטה אחורה (נסוג), ודחוף קדימה באופן פעיל (נמתח). בכל המקרים, גליל במעלה הזרם יצר ערבול חוזר כמו זה של דג. המצב המתוח נתן את התוצאה הברורה ביותר: האות מהערבול בלט יותר ביותר משלוש פעמים מאשר במצב הקשיח, וכמעט פי שניים מאשר במצב הנסוג. במילים אחרות, דחיפת השפם לתוך הזרימה באופן פעיל, על ידי התקשחות הבסיס שלו, משפרת משמעותית את יכולתו לקלוט שבילי טרף, אם כי סביר שזה עולה לבעל החיים במחיר אנרגטי גבוה יותר.

משפם יחיד למוזל רובוטי

כלבי ים אינם מסתמכים על שפם יחיד, ולכן החוקרים בנו מוזל ביוני מלא שנושא 60 שפמי כלב ים נמליים אמיתיים, מסודרים בשורות כפי שעל פרצוף אמיתי. כל קבוצה של שפמים הונעה על ידי מפעילים רכים, מה שאיפשר למערך לרעוד בקצב קבוע, להחזיק תנוחה נמתחת, או אפילו להזיז צד אחד בלבד בזמן עבור חישה כיוונית. המוזל הרובוטי הזה מראה ששילוב של שפמים מתולתלים ותנועה נשלטת יכול ליצור "מצלמת מים" עוצמתית וגמישה שעשויה להנחות רובוטים תת-מימיים בעתיד.

מה משמעות הדבר לחישה ולרובוטיקה

ביחד, הניסויים מראים שגם הצורה המתולתלת של שפמי כלב הים הנמליים וגם תנועתם הקדמית הפעילה הם מפתח להפיכת שבילי מים חלשים לאותות חזקים וקריאים. המשטח המתולתל מקטין רעידות חסרות תועלת בזמן שחיית החיה, ודחיפה מונעת-שריר לתוך הזרימה מגדילה את הניגוד בין ערוץ הטרף לרעש הרקע. הבנה והעתקה של העיצוב הטבעי הזה עשויים להעניק השראה לחיישני זרימה ולמערכות רובוטיקה רכה חדשות שיתמצאו ויזהו עצמים במים חשוכים או עמוסים ביעילות כמו כלב ים צייד.

ציטוט: Gupta, C., Krushynska, A.O., Jayawardhana, B. et al. Soft bionic actuation explains the functional role of whisking in seal whisker sensing. npj Flex Electron 10, 62 (2026). https://doi.org/10.1038/s41528-026-00565-1

מילות מפתח: שפמי כלבי ים, חישה תת-מימית, רובוטיקה רכה, שריקת שפם פעילה, גילוי זרימה