האם מעבדות לתיקון מכשירים אלקטרוניים עומדות להכחד?

קשה לדמיין את העולם ללא אלקטרוניקה. מחשבים, טלפונים חכמים, מסחר, רפואה ותחבורה מתקדמים, כולם מבוססים על רכיבים ומערכות אלקטרוניות. אולם, רכיבים ומכשירים אלקטרוניים מתקדמים רגישים לפגמים בייצור ובלאי עם הזמן. זו אחת הסיבות העיקריות לכך שהמוצרים האלקטרוניים שברשותנו מתקלקלים ומפסיקים לתפקד לאחר זמן מה. האם ניתן לתכנן התקנים אלקטרונים אשר אינם רגישים לתופעות אלו ואינם "מתקלקלים"? שאלה זו העסיקה את ד"ר יקיר חדד מבית הספר להנדסת חשמל באוניברסיטת תל אביב. בשיתוף פעולה עם פרופ' אנדראה אלו וד"ר ג'ייסון זוריק מ UTEXAS, ופרופ' אלכסנדר קניקייב מ CUNY, חיפש ד"ר חדד פתרון יצירתי לבעיה זו.

הקשר בין מעגלים חשמליים וכדורגל

כפי שמתרחש לעיתים קרובות, הרעיון לפתרון הגיע מתחום שונה לחלוטין – מדע החומרים. פרס הנובל בפיסיקה לשנת 2016 ניתן לשלושה חוקרים בריטיים על עבודתם שהראתה שתכונות חומרים, לדוגמא מוליכות חשמלית, יכולות להשתמר בתנאים מסוימים גם כאשר פוגמים משמעותית בצורת החומר. יכולת מופלאה זו נובעת מהמבנה האטומי המסוים של החומר וקשורה באופן הדוק לתחום במתמטיקה המכונה תורת טופולוגיה. תורת הטופולוגיה עוסקת בתכונות גאומטריות של משטח או גוף שמשתמרות גם כאשר משנים את צורתו ובלבד שהשינוי רציף (כלומר אינו פוער חור במשטח או בגוף). תורת הטופולוגיה משייכת לכל גוף מספר טופולוגי אשר מתאר למעשה את מספר החורים שיש בגוף. המספר הטופולוגי של כדורגל, לדוגמא, הינו 0. גם לקובייה, גליל או כוס (ללא ידית) מספר טופולוגי 0 ולכן מבחינת תורת הטופולוגיה מדובר בעצמים שקולים. לעומת זאת, לבייגל ולספל (עם ידית) מספר טופולוגי 1 היות ויש בהם חור יחיד, והם אינם שקולים (מבחינה טופולוגית) לכדורגל או לכוס. מסתבר, כי אם ניתן לייחס לחומר באופן כלשהו מספר טופולוגי, חלק מתכונותיו לא ישתנה עקב כיווץ, מתיחה או עיקום (כלומר, פגמים) כל עוד הטופולוגיה שלו נשמרת.

תכנון חדש של התקנים אלקטרוניים אמינים

ברעיון המורכב הזה כאמור נעשה שימוש בשנים האחרונות גם בתחומים אחרים – אופטיקה, מגנטיות ועוד, על מנת לתכנן ולממש התקנים מיוחדים אשר עמידים בפני פגמים במבנה. במחקר שפורסם במהדורת חודש מרץ 2018 של Nature Electronics, הראו ד"ר חדד ועמיתיו שגם במעגלים אלקטרוניים ניתן ליצור אפקט דומה. יתרה מכך, ניתן ליצור את עמידות לפגמים ע"י שימוש בזרם החשמלי עצמו העובר במעגל תוך ניצול התכונות הלא-לינאריות של רכיבי המעגל החשמלי (הרכיבים משנים את תכונותיהם כתלות בעוצמת הזרם). בהתבסס על רעיון זה, תכננו ובנו החוקרים התקן אלקטרוני שכאשר עובר דרכו אות חשמלי בעוצמה גבוהה מספיק הוא הופך להיות למעשה אדיש לפגמים. החוקרים אף הדגימו את פעולת ההתקן והראו שגם כאשר הוכנסו למבנה פגמים משמעותיים באופן מכוון, לא הייתה כל השפעה על תפקודו התקין של המעגל. תוצאות המחקר פותחות צוהר לגישת תכנון חדשה של התקנים אלקטרוניים אמינים יותר ועמידים בפני פגמים וכן מראות כי שילוב של גישות ורעיונות מתחומים ועולמות שונים יכול להוביל לפתרונות יצירתיים לבעיות אמיתיות.