מחקר חדש של הדוקטורנט לשעבר רון שנפ, מבית הספר להנדסה מכנית בא לגשר על הניגוד החד המתקיים בין הזרימות האידאליות לבין הזרימות שמאפיינות את העולם האמיתי.
תחומים:
בחר הכל
משפטים
כללי
הנדסה
חיי הקמפוס
ASV
מערכות קוונטיות
תחבורה חכמה
רכב אוטונומי
קול קורא
מכונת הנשמה
COVID-19
מטא-חומרים...
הנדסת חשמל
הנדסה מכנית
אולטרה-סגול
אולטרה-סגול
RoboBoat
MRI
קטגוריות:
בחר הכל
פרס
ברכות
כנס
מחקר
מחקר בפקולטה
פוקוס
חדשות
NEWS
מה מעניין אותך?
מחקר
02.05.2021
כיצד ניתן לגשר על הפערים בין טורבולנציה במעבדה ומחוצה לה?
- מחקר
- בוגרים ובוגרות
- הנדסה מכנית
מאז ראשית שנות ה-2000, אנו עדים להופעתו של גל מחקר אמפירי העוסק בזרימה טורבולנטית, הנובע מהתפתחותן של יכולות חישוביות ומערכות מדידה חדשניות. מבין הנושאים שהתפתחו באופן המשמעותי ביותר ניתן למנות את התיאור הלגראנז'י של טורבולנציה (מסגרת מתמטית לתיאור שדות זרימה), אשר במסגרתו התכונות הסטטיסטיות של הזורם מתוארת לאורך מסלוליהם של חלקיקי זורם אידיאליים.
להתפתחותה של המסגרת הלגראנז'יאנית יש השלכות מעשיות משמעותיות, וביניהן היכולת לתאר ולמדל הסעה ופיזור באופן טבעי יותר, בזכות המעקב אחר תנועת הזורם. אכן, פיתוחה של המסגרת הלגראנז’יאנית מסייע לפתרון בעיות כגון חיזוי התפשטותם של כתמי נפט בים, או ריכוז זיהום האוויר בסביבה העירונית ועוד. בהתאם לכך, גל המחקר החדש, אשר נעזר בניסויים ובסימולציות מורכבים שנערכו תחת תנאים אידיאליים, הוליד תגליות פורצות דרך בדבר המנגנונים השוכנים בליבה של הטורבולנציה, החל משבירת סימטריה ועד למורפולוגית שדה הזרימה בסקאלות שונות, החל מפיזור של קבוצות חלקיקים ועד לאינטרמיטיות של הסקאלות הקטנות וכן הלאה.
עם זאת, נראה כי ישנם גורמים אשר מקשים על יישומן של תגליות אלה לצורך פתרונן של בעיות אשר ניצבות בפני מהנדסים ב"עולם האמיתי". לרוב, מחקרים התמקדו בזרימות אידיאליות או "נקיות" מדי מכדי לייצג את הזרימות הקיימות בטבע ובתעשייה. באופן ספציפי, תכונותיהן הסטטיסטיות של הזרימות הנבדקות במחקרים האלה הן לרוב הומוגניות, איזוטרופיות ולא משתנות בזמן, מה שאינו נכון לגבי זרימה טורבולנטית המתקיימת מחוץ למעבדה. עקב הניגוד החד המתקיים בין הזרימות האידאליות לבין הזרימות שמאפיינות את העולם האמיתי, לא ברור אם ניתן ליישם את התגליות החדשות לשם פתרון אותן בעיות משמעותיות הניצבות בפני מהנדסים, או כיצד.
מגשרים בין שני העולמות
במחקר, ניסו החוקרים מהפקולטה להנדסה באוניברסיטת תל אביב בשיתוף עם החוקרים מהמכון הביולוגי - ד״ר ירדנה רביב-בוחבוט וד״ר אייל פטל, לגשר על הפער בין שני העולמות האלה. "לשם כך, ערכנו מדידות לגראנז'יאניות בזרימה שמחקה את חלקה התחתון של שכבת הגבול האטמוספרית, אזור בו מתרחשת אינטראקציה בין הזרימה ובניינים או עצים, בתוך מנהרת רוח סביבתית גדולה" מסביר רון.
בתמונה: מנהרת הרוח הסביבתית במכון הביולוגי
המדידות, שבוצעו תוך שימוש במערכת מדידה חדשנית שפותחה במעבדה לחקר מבנה זרימה טורבולנטית של פרופ' אלכס ליברזון, מהוות מאגר מידע חסר תקדים. תכונותיה של הזרימה הזאת, המכונה זרימת קנופי (canopy flow), הן מאוד לא הומוגניות ולא איזוטרופיות, ולכן היא היוותה עבורנו קרקע פוריה כדי לבחון את תוקפן של התגליות החדשות. מוסיף ומסביר רון "למרבה ההפתעה, תוצאות הניסוי שלנו חשפו את קיומו של עולם פנימי נוסף - למרות שזרימת הקנופי שלנו הייתה כלל לא הומוגנית ולא איזוטרופית, הבחנו שכשאנו מצמצמים את טווח הסקאלות שאותן אנו בוחנים (על ידי בחינת השינויים החלים במהירות הזורם במקום המהירות עצמה), התכונות הסטטיסטיות הלגראנז'יאניות של הזרימה נראות כהומוגניות ואיזוטרופיות בקירוב טוב. כל בדיקה שערכנו איששה את התגלית שלנו, גם עבור חלקיקים בודדים וגם עבור קבוצות של חלקיקים הנעים בו-זמנית. התכונה הזאת של הזרימה, שנקראת איזוטרופיה לוקאלית, היא בעלת חשיבות מכרעת לאופן שבו אנו מבינים את הדינמיקה הלגראנז'יאנית בזרימות לא אידיאליות. למעשה, התגלית שלנו מוכיחה כי הממצאים שעלו מניסויים שבחנו זרימות "נקיות" במעבדה תקפים גם לזרימות מסוימות בעלות טורבולונציה חזקה המתקיימות בעולם האמיתי".
פרסומים בכתב עת
"לאחרונה, כתב העת "Journal of Fluid Mechanics" הכיר בחשיבותן הרבה של התגליות שלנו, ועסק בהן בהרחבה במסגרת מדור "Focus on Fluids" [1]. בנוסף לכך, המחקר שלנו מהווה את אותו גשר אשר חיפשנו ומספק בסיס לפתרון בעיות מורכבות כמו חיזוי התפשטותם של זיהום אוויר או פתוגנים באטמוספרה, ומכאן נובע ערכו האמיתי" מסכם רון.
מי אתה רון?
רון שנפ סיים לא מזמן דוקטורט במעבדה של פרופ' אלכס ליברזון במסלול דוקטורט ישיר (ממסלול מסטר ישיר ואחרי הצטיינות דקאן רב שנתית). היום הוא פוסטדוק במכון ויצמן. זכה לאחרונה במלגת רוטשילד ונוסע לציריך לפוסטדוק יוקרתי ב ETH Zurich.
"לאחרונה פרסמנו מספר מאמרים משמעותיים בנושא של זרימה אוויר באזורים עירוניים, בשיתוף עם המכון הביולוגי לישראל. למכון יש מנהרת רוח סביבתית חדשה ואנחנו גאים להיות הראשונים שמבצעים שם ניסויים. חשוב לציין כי המחקר נתמך על ידי קרן פזי של הועדה לאנרגיה אטומית. אבל כל זה רק הרקע לסיפור - רון פרסם לאחרונה מאמר של מחבר בודד בעיתון הכי חשוב בתחום "מכניקת זורמים" במסלול המהיר שלהם rapids. זהו כבוד גדול לאחד מהבוגרים המוצלחים שלנו בתחום מחקר מאד משמעותי לאיכות חיינו ולשינוי האקלים" מסכם בגאווה פרופ' ליברזון.
קישורים למאמרים
- קישור למאמר Lagrangian turbulence in the woods במזגין Focus on fluids
- קישור למאמר החדש On small-scale and large-scale intermittency of Lagrangian statistics in canopy flow במזגין Journal-of-fluid-mechanics
אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון
מחקר
14.02.2021
תוכנה המסייעת בזיהוי מוקדם של שברים ומניעתם
פרופ' יוסיבאש מהפקולטה להנדסה בשיתוף חוקרים ורופאים פיתחו מערכת ממוחשבת מותאמת אישית החוזה את הסיכון לשבר בעצמות ירך בחולי סרטן ומובילה מהפכה אמיתית בעולם הרפואה
- מחקר
- הנדסה מכנית
במעבדה למכניקה חישובית וביומכניקה ניסויית בבית הספר להנדסה מכנית באוניברסיטת תל אביב מושם דגש על סינרגיה בין עולם התוכן ההנדסי ויישומים קליניים, לצד מחקרים אנליטיים ופיתוח תוכנה הנדסית. פרופ' זהר יוסיבאש ראש המעבדה ומשמש נשיא האיחוד הישראלי לשיטות חישוביות במכאניקה, נחשב כמומחה בינלאומי באנליזות וניסויים בעצמות ומכניקת השבר, ומקדם שיתוף פעולה עם רופאים ליישום הידע והמחקר במעבדה לשיפור הטיפול בחולים.
במעבדה של פרופ' יוסיבאש פותחה תוכנה שמנתחת סריקת סיטי של מטופל ויוצרת הדמיית מחשב של התגובה המכאנית של עצמות בגוף האדם (כאמור עצמות ירך, עצמות זרוע, חוליות עמוד שדרה ועצמות כף הרגל) תוך כדי הפעלה של כוחות פיסיולוגיים. תוצאות הסימולציות אומתו ע"י ניסויים בעצמות של תורמים. מחקרים אלו בוצעו ומבוצעים ע"י סטודנטים למחקר לקראת תארים מתקדמים: דר' ניר טרבלסי, דר' רומינה פליטמן, ודר' לעתיד לבוא יקותיאל כץ וגל דהן. היכולות שפותחו נועדו לסייע לדוגמה בתכנון משתלים כתוצאה משברים (איור 1 מתאר ניסוי והדמייה ממוחשבת של עצם עם משתל).
אחד מתחומי המחקר המובילים במעבדה שהגיעו ליישום קליני הוא חיזוי שברים בעצמות ירך עם גרורות סרטניות. מחקר פורץ דרך במימון משרד הבריאות שבוצע במעבדה לפני עשור נועד להעריך את הסיכון לשבר בעצמות עם גרורות. בהתבסס על הצלחת המחקר יושם שימוש באלגוריתמים של אינטליגנציה מלאכותית ושיטות חישוביות במכניקה, פותחה מערכת ממוחשבת מותאמת אישית למטופל המספקת לרופא את רמת הסיכון לשבר ועוזרת למנתח האורתופדי אונקולוגי לקבל החלטה אם נדרש ניתוח מניעתי בחולים אלו. המערכת שפותחה עם דר' ניר טרבלסי ממכללת סמי שמעון, עברה ניסויים קליניים רטרוספקטיביים ויכולות החיזוי אומתה בחולים באופן מאוד מוצלח בהובלתו של דר' אמיר שטרנהיים, ראש היחידה הלאומית לאורתופדית אונקולוגית בביה"ח איכילוב.
כיום המערכת הממוחשבת מסייעת לחיזוי שברים עתידיים ומניעתם על רקע גרורות בעצם ומותקנת בבית החולים איכילוב ביחידה הלאומית לאורתופדיה אונקולוגית. טכנולוגיה זו מאפשרת דיוק והתאמה אישית לחיזוי סיכון לשבר ומיקומו ומובילה מהפכה אמיתית בעולם הרפואה!. המערכת קיבלה אישור רגולטורי של האיגוד האירופי CE ואמ"ר ממשרד הבריאות ומהווה פריצת דרך בעידן הרפואה המותאמת אישית.
איור 2: פרופ' יוסיבאש מכין עצם ירך לניסוי
לינק לכתבה ב TheMarker: https://www.themarker.com/labels/orthopedics/1.9508059
אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון
מחקר
02.02.2021
הרובוט שפועל מתחושה פנימית
ד"ר אבישי סינטוב פיתח מכשיר לביש היודע לזהות תבניות שונות של תנועות שרירי האמה דרך תנועות אינטואיטיביות ולחזות כוונת משתמש בעת שיתוף פעולה אדם-רובוט
- מחקר
- הנדסה מכנית
שיתוף פעולה אפשרי בין אדם לרובוט מחייב הבנה אינטואיטיבית ומתמשכת של תנועה אנושית במשימות משותפות.
רוב הפעולות האינטואיטיביות של בני אדם הן פעולות שאדם הורגל לבצען באופן מסוים מילדות וכך גם הוא יכול לחזות תנועה של בני אדם אחרים.
כאשר אדם מסייע לחברו, פעולות מסוימות יכולות להתבצע אינטואיטיבית ללא תקשורת ורבאלית למשל הגשת כוס קפה תגרום לאדם מולך להושיט באופן אינטואיטיבי את ידו ולתפוס את הכוס. בעצם המסייע מתבונן בידיו של חברו ויכול לחזות את כוונתו דרך זיהוי הכלים שהוא אוחז ומסלול תנועתו – ואז לבצע פעולות תומכות. מימוש עקרון זה ע"י רובוט הוא הבסיס לעבודת רובוטים עם בני-אדם.
פרסום מאמר
לאחרונה, התקבל בכתב העת IEEE Robotics & Automation Letters מאמרם של נדב כהנוביץ', סטודנט לתואר שני בהנדסה מכנית וד"ר אבישי סינטוב.
ד"ר סינטוב עומד בראש מעבדת הרובוטיקה ROB-TAU בבית הספר להנדסה מכנית של אוניברסיטת תל אביב, בה הוא וצוותו עוסקים בחיזוי כוונת אדם בעת שיתוף פעולה עם רובוטים.
במאמרם הראו החוקרים כי בעזרת מכשיר לביש פשוט וזול, ניתן לזהות תבניות שונות של תנועות שרירי האמה. המכשיר מכיל 15 חיישני כוח זולים אשר נצמדים לעור האמה וחשים את התכווצות השרירים בעת אחיזה של חפצים שונים וביצוע פעולות.
בעזרת אלגוריתמי למידת מכונה, זרוע רובוטית יכולה לקבל מידע על החפץ הנאחז בזמן אמת ובדיוק גבוה, ולחזות את כוונת המשתמש. האלגוריתם כולל רשת עצבית המאומנת לסווג את המידע מהמכשיר ותהליך איטרטיבי לשיפור דיוק החיזוי עם כניסת מידע חדש בזמן אמת.
החוקרים הראו שהאלגוריתם מאפשר חסינות (רובסטיות) למיקום והידוק המכשיר על האמה. חיזוי כוונת המשתמש מאפשר תכנון תנועה של הרובוט לסיוע יעיל ומהיר לאדם. גישה זאת מאפשרת עבודה אינטואיטיבית עם רובוט ללא שימוש בתקשורת ורבאלית וללא מצלמות.
בתמונה: רובוט מסייע למשתמש הלובש את המכשיר לאחר זיהוי החפץ ביד
ראייה לעתיד
טכנולוגיה זאת תוכל בעתיד לאפשר סיוע לבעלי מוגבלויות בפעולות יומיומיות – לדוגמא, זרוע רובוטית תומכת המעוגנת על כיסא גלגלים, עבודה לצד פועלים במפעל ואף סיוע לרופאים בהליכים רפואיים – רובוט שיחליף אח/ות ויסייע למנתח.
המחקר מתבצע במימון הקרן הישראלית למדע (ISF).
אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון
