מחקרים

RESEARCH

מה מעניין אותך?

כל הנושאים
AI
סביבה
תעשייה
רחפנים
רובוט
קורס
מכנית
Big Data
מים
מדע והנדסה של חומרים
למידת מכונה
טכנולוגיה
חשמל
זרמים
הנדסה ורוח
בינה מלאכותית
ביו רפואית
אופטיקה

חדשות המחקרים

carousle news research: 
תמונת באנר: 
בחר את סוג הלובי: 
מחקרים
מים מזוהמים

מחקר

27.12.2019
ננוטכנולוגיה תשמור על משאבי המים בישראל

ד"ר אינס צוקר מתבוננת על ננוטכנולוגיה דרך עדשות סביבתיות

  • chemical oxidation
  • materials for water
  • nanomaterials
  • chemical oxidation
  • materials for water
  • nanomaterials

מוצרים, תהליכים ויישומים מבוססי ננוטכנולוגיה (שם כולל לתחום המחקר והטכנולוגיות העוסקים במערכות שגודלן האופייני הוא בין ננומטרים בודדים לעשרות ננומטרים) מבטיחים יתרונות סביבתיים וברי-קיימא על-ידי חסכון בחומרים, אנרגיה ומים וכן על-ידי הפחתת פליטת גזי חממה ופסולת מסוכנת. מצד שני, התכונות יוצאות הדופן של ננו-חומרים מהונדסים שהופכים אותם לאטרקטיביים כל כך, מהווים גם סיכונים פוטנציאליים לבני אדם ולסביבה.

 

ד"ר אינס צוקר, מרצה בכירה בבית הספר להנדסה מכנית של הפקולטה להנדסה ובבית הספר פורטר ללימודי סביבה של הפקולטה למדעים מדויקים באוניברסיטת תל אביב, שהצטרפה במהלך 2019 לסגל הבכיר באוניברסיטה לאחר לימודי הפוסט דוקטורט שלה באוניברסיטת ייל, חוקרת ממשק שבין הנדסת סביבה והנדסת חומרים את היישומים וההשלכות של ננוטכנולוגיה על הסביבה.

 

במעבדתה של ד"ר צוקר, "המעבדה לננוטכנולוגיה סביבתית", מתמקדים במחקר בתחום מתפתח שנקרא "ננוטכנולוגיה סביבתית". ד"ר צוקר מסבירה כי "תחום הננוטכנולוגיה סביבתית מחבר בין העולמות בהיבט החיובי והשלילי. בהיבט החיובי אנחנו משתמשים באמצעים ננוטכנולוגיים כפתרון לבעיות סביבתיות. בהיבט השלילי, אנחנו בוחנים את רעילותם הפוטנציאלית של ננוחומרים כלפי תאים חיים בסביבה המימית".

 

ננוטכנולוגיה כפתרון לבעיות סביבתיות

זיהום מקורות מי השתיה בישראל במגוון שאריות חומרים אורגנים ואנאורגנים מעלה את הצורך במציאת טכנולוגיות טיפול מתקדמות להסרתם. כיוון שטכנולוגיות הטיפול במים הקונבנציונליות כוללות שימוש אינטנסיבי בכימיקלים ובאנרגיה ואינן יעילות בהסרת מזהמים באופן סלקטיבי, גדל העניין בשיטות טיפול מתקדמות מבוססות ננוטכנולוגיה המאופינות בראקטיביות גבוהה ויכולת תמרון ושליטה בתכונותיהן בכדי להתמודד עם חסרונות טכנולוגיים אלה. באמצעות בקרה על גודל החומר, המורפולוגיה והמבנה הכימי, ניתן להנדס את החומר להשגת תכונות ספיחה, קטליטיות ואופטיות חריגות שניתן לנצלן לטיהור מים, במיוחד עבור מערכות מבוזרות בקנה מידה קטן.

 

במימון משרד המדע במסגרת "ניצוץ קלינטק", ד"ר צוקר מפתחת למשל ננומבנים מולטיפונקציונלים מבוססי מוליבדינום דו-גופרתי (MoS2) לטיהור מים. באופן ספציפי, המעבדה לננוטכנולוגיה סביבתית מייצרת, מאפיינת, ובוחנת שכבות מוליבדינום דו-גופרתי שמסונטזות על-גבי מצעי פחמן כמדיית חמצון וספיחה להסרת מזהמים ממים, ללא צורך בשלב הפרדת החומר הפעיל מהמים המטופלים.

המעבדה של ד"ר צוקר

בתמונה: המעבדה לננוטכנולוגיה סביבתית. מימין לשמאל: כפיר שפירא, ד"ר עמית קומר, זיאן יינג, ד"ר אינס צוקר, ד"ר ינון יחזקאל

 

להעביר את הטכנולוגיה משלב המעבדה לשטח

המאמץ המחקרי בתחום של תהליכי טיהור מים המופעלים על-ידי ננוחומרים מהונדסים מאפשר לנו כיום להשיג יכולות ספיחה וחמצון מרשימים בתנאי מעבדה. עם זאת, כדי להעביר את הטכנולוגיה משלב המעבדה אל שלבי הפיילוט והמימוש בסקאלה מלאה, הנדסת תהליך חייבת להיות משולבת כבר בשלב פיתוח החומרים. בפרט, ננוחומרים מתקדמים לטיפול במים חייבים להיות מתוכננים כך שהם יתפקדו במטריצות מים מורכבות עם רלוונטיות סביבתית, לא רק בתנאים מבוקרים, וכי הם יוכלו לפעול ביעילות במחזורי התחדשות ושימוש חוזר. השחזור והשימוש החוזר הם חשובים במיוחד בהתחשב בדאגות הקיימות הקשורות לייצור המסובך והיקר של ננוחומרים.

גישה המשלבת מומחיות בננוטכנולוגיה ובמדע החומרים עם מומחיות בטיפול במים ובהנדסת תהליכים, תהיה מכרעת בהפעלת מערכות טיפול במים קומפקטיות ויעילות מבוססות-ננו. במעבדתה של ד"ר צוקר לננוטכנולוגיה סביבתית בפקולטה להנדסה אוניברסיטת תל אביב ממשיכים לפתח חומרים מתקדמים לטיפול בזיהומי מים בגישה רחבה ואינטרדיסציפלינרית זו, בדגש על יישומיות וקיימות.
 

ננו, אבל לא בכל מחיר

ד"ר צוקר מקפידה על איזון מחקרי: על אף היתרונות הבולטים של ננוחומרים באפליקציות סביבתיות, ישנו גם מחיר סביבתי לשימוש בהם. החותם הסביבתי מתחיל כבר בשלב היצור וממשיך גם לאחר השימוש על-ידי זליגה של ננוחומרים לסביבה. המעבדה לננוטכנולוגיה סביבתית חוקרת גם את האינטרקציות של ננוחומרים עם תאים חיים ומעריכה את רעילות ננוחומרים שנמצאים בשימוש במעבדה, ומעבר לכך. כך לדוגמא ד"ר צוקר חוקרת את אחד הנושאים הסביבתיים הבוערים ביותר, רעילות מיקרו- וננופלסטיקים בסביבה. ננופלסטיקים, להבדיל מננוחומרים מהונדסים אינם מיוצרים לשימוש באפלייקציות שונות, אלא הם תוצרי לוואי של השימוש המוגבר בפלסטיק בעולם המודרני. אותם פלסטיקים עוברים תהליכי פירוק איטיים בסביבה, ומסכנים את הסביבה ובריאות האדם החשוף לה.

איזון היתרונות וסיכונים של ננוחומרים בסביבה

בתמונה: איזון היתרונות וסיכונים של ננוחומרים בסביבה

 

 

ד"ר ירון טולדו פיתח מערכת למדידת גלים וזרמים בים התיכון לזיהוי סכנות

מחקר

08.09.2019
מדידת זרמים וגלים הראשונה מסוגה באזור הים התיכון

ד"ר ירון טולדו פיתח מערכת למדידת גלים וזרמים לזיהוי סכנות

  • Remote sensing of waves
  • Water waves
  • Remote sensing of waves
  • Water waves

הים נמצא בתנועה מתמדת, שלא כמו השטח היבשתי, ומשנה את תכונותיו בזמנים קצרים יותר באופן משמעותי. התנהגות זו מובילה לצורך במאמץ מתמשך של ניטור בקנה מידה גדול במיוחד לאור תגליות הגז המשמעותיות לחופי מדינת ישראל והתוכניות הנרחבות לפיתוח התשתיות הימיות שהביאו את האזור הימי הכלכלי הבלעדי של ישראל למרכז תשומת לב.

 

ניטור סכנות מהים

מערכת רדאר בתדר גבוה הינה המיכשור היחיד היכול לנטר על פני שטח גדול ובאופן רציף את זרמי השטח והגלים. מערכת כזו מהווה תשתית לאומית ואזורית הן בפן המחקרי של הבנת משטר הזרמים האגני ומשטר הגלים בים העמוק אל מול חופי ישראל, והן בפן האופרטיבי למשל הנצלה של מלחים, התראות צונאמי, זיהוי תנודות של חולות בחופים או התמודדות עם שפכי נפט כתוצאה מהיבקעות מיכלית, המערכת תדע לקבוע מראש לאן הנפט יזרום, לאשדוד או לנהריה.

 

הקמתן של מערכות ניטור

ד"ר ירון טולדו, ראש המעבדה להנדסה ימית ופיזיקה מבית הספר להנדסה מכנית אוניברסיטת תל אביב הקים מערכות ניטור בחופי ישראל - אשקלון ואשדוד. במעבדה הוא וצוותו מנסים לשלב נגזרות תיאורטיות בסיסיות, מודלים מספריים ותצפיות שדה כדי להשיג הבנה מעמיקה של יסודות הפיזיקה של גלי שטח והופעתם בים התיכון. "הקמתן הינה משימה עצומה, הדורשת מציאת מיקומים מתאימים, רצועות חוף זמינות אף באורך של עד כ - 300 מ', הקמת תשתית, מציאת תדרים מתאימים וקבלת אישורים" מסביר ד"ר טולדו. "מטרות המחקר היו להגיע להקמת תשתית לאומית זו, לבצע בחינה ראשונית של הדאטה המתקבל ממנה ולבחון את היכולת לשלב אותה במודלי חיזוי הזרמים. לאחר התגברות על קשיים בירוקרטיים וטכניים רבים, הפרויקט בוצע בהצלחה ואפשר מדידות ראשונות מסוגן באזורינו. העבודה על קידום תשתית חשובה זו עדיין נמשכת"

 

ימין: מפת זרמים רדיאליים המתקבלים מתחנת אשקלון, מרכז: מפת זרמים רדיאליים המתקבלים מתחנת אשדוד. שמאל: מפת זרמים באזור החיתוך בין התחנות ללא מגבלת דיוק גאומטרית. שטח הכיסוי יורחב לרוב המים הכלכליים של הים התיכון עם הפעלת שתי תחנות צפוניות לטווח קצר (חיפה ועכו), שהוקמו לאחרונה וכן תחנה לטווח ארוך שממתינה לאישור תקציבי (עתלית).

 

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

 

המהנדס שקורא בלב

מחקר

13.08.2019
המהנדס שקורא בלב

ד"ר גיל מרום פיתח סימולציות ממוחשבות המאפשרות להבין טוב יותר את הביומכניקה של הטיפול בחולי לב ולהעריך את הסיכויים לסיבוכים.

  • Hemodynamics and Biomechanics
  • Numerical models
  • Hemodynamics and Biomechanics
  • Numerical models

מחלות לב וכלי דם הן גורם המוות המוביל בעולם המפותח המהוות כמעט 30% מכלל מקרי המוות מדי שנה. בלב קיימים ארבעה מסתמים האחראים לזרימה חד-כיוונית של הדם בתוך חללי הלב ומהם לכל איברי הגוף. כל אחד מהמסתמים אחראי על הכוונת הדם בין מדורי הלב השונים בכיוון אחד, בעת כיווץ העליות והחדרים, כדי שיגיע אל העורקים הגדולים ומשם לריאות ולשאר הגוף. לעיתים המחלות במסתמים נגרמות בשל שינויים במבנה הרקמות שלהם ובמרכיביהם, שמובילים להפרעה במעבר הדם ללב ולשאר איברי הגוף. ד"ר גיל מרום, מבית הספר להנדסה מכנית של הפקולטה להנדסה אוניברסיטת תל אביב עושה שימוש במודלים חישוביים שפיתח כדי לחזות את הפיזיקה של מערכת הלב וכלי הדם (המערכת הקרדיווסקולרית) וכך לשפר את הטיפול בחולה לב.

 

יתרונות המודלים החישוביים במתן הטיפול הנכון לחולה

מורכבות מערכת הלב, המשלבת סיבוכיות פיזיקלית בסדרי גודל שונים, היא סיבה מרכזית לצורך בשימוש במודלים חישוביים הנקראים גם סימולציות. פעולת שאיבת הדם בלב נגרמת על ידי התכווצות שריר הלב, כיוון זרימת הדם נקבע על ידי מסתמי הלב, בעוד התכווצות השריר נשלטת על ידי מערכת ההולכה החשמלית של הלב. מורכבות זו יחד עם המגבלות של ניסויים קליניים וניסויי מעבדה מסבירות בבירור את יתרונות המודלים החישוביים. סימולציות ממוחשבות מאפשרות לערוך ניסויים וירטואליים ולבחון אפשרויות שונות לטיפול באותו חולה. היכולת להשוות מקרים זהים, בניגוד להשוואת מקרים ממספר חולים שונים, מאפשרת ללמוד את ההשפעה של פרמטר מסוים על התפקוד, תוך בידוד השפעה זו מגורמים אחרים, וכך למצוא מגמות המאפיינות את התופעה. נוסף להשלכות הרפואיות החשובות של מחקר זה, המחקר מרתק גם מבחינה הנדסית. בניגוד למקרים הנדסיים "רגילים" בהם מאפייני הבעיה ידועים, כמו גאומטרית הגוף ותכונות החומר ממנו הוא מורכב, במקרים הביולוגים יש שונות גדולה במחלות ובאוכלוסייה ולמעשה המודלים מתבססים פעמים רבות על תהליך הנדסה הפוכה והנחות הנדסיות שונות.

 

המכניקה של מחלות מסתמי לב והטיפול בהן

מסתמי הלב הם שסתומים הבנויים מעלים גמישים. כאשר פעילותם תקינה הם מאפשרים זרימה חד כיוונית ומונעים זרימה חוזרת. בניגוד לשסתומים מכניים בשימושים הנדסיים, העלים הגמישים צריכים לעבור עיוותים גדולים בכל מחזור לב, לעמוד בלחצים גבוהים ביחס לחוזקם המכני, ולעבוד במשך הרבה מאוד מחזורי לב (כמחזור לשנייה במשך כל שנות החיים). מחלות מסתמי הלב הנפוצות ביותר הן היצרות של המסתם האאורטלי (אבי העורקים) ודליפה של המסתם המיטרלי. טיפולים אפשריים הם תיקונים או החלפת המסתם בניתוחי לב פתוח ובשנים האחרונות נוספה גם אפשרות זעיר פולשנית של השתלת מסתם בצנתור. אך לכל סוגי הטיפולים הללו ישנם סיבוכים אפשריים שכמובן עדיף להימנע מהם.

 

המודלים החישוביים שאנחנו מפתחים מאפשרים להבין טוב יותר את הביומכניקה של הטיפול ולהעריך את הסיכויים לסיבוכים שונים. לדוגמה, תוצאות המודלים הקודמים שלנו עוזרות למנתחים לבחור את הקוטר הרצוי שאליו יש להקטין את קוטר המסתם החולה על מנת להביא אותו לתפקוד תקין. גם במסתמים המושתלים בצנתור לטיפול בהיצרות המסתם אבי העורקים אנחנו יכולים, על פי תוצאות הסימולציות, להמליץ על גודל המסתם המתאים, מיקום ההשתלה האופטימלי, ודרכי ההשתלה כדי להפחית את הסיכוי לדליפות, תזוזה של המסתם המושתל בגלל התכווצות הלב, ופגיעה בהולכת החשמל בלב בגלל לחצי מגע שהשתל מפעיל על הלב. אותן מסקנות יכולות לעזור גם בתכנון מסתמים תותבים חדשים עם תפקוד טוב יותר וסיכוי מופחת להתפתחות הסיבוכים לאחר ההשתלה.

 

במחקרים שנערכים עכשיו בקבוצה של ד"ר מרום, מנסים להבין את מנגנוני קרישת הדם על עלי המסתמים המושתלים. המודלים בהם אנו נעזרים בנושא זה, מבוססים על הידע שקרישת הדם נגרמת בגלל מאפיינים מכניים של זרימת הדם, כגון חשיפת טסיות הדם למאמצי גזירה, משך זמן החשיפה, או משך הזמן שהטסית נעצרת במקום בגלל מערבולות. כמו כן, מאפייני הזרימה קובעים גם את סוג קרישי הדם שעלולים להיווצר, תסחיפים או דווקא קרישה על עלי המסתם אשר גורמים להם להתעבות ולהפסיק לתפקד. שיטות דומות עוזרות לנו להבין טוב יותר את אי-ספיקת, או דליפת, המסתם המיטרלי עם מטרה שידע זה יעזור לתת מענה למרבית החולים שכיום אינם מקבלים טיפול בגלל סיכון ניתוחי גבוה. "אחת הסיבות העיקריות שעדיין לא הצליחו לפתח פתרון התערבותי לחולים אלו היא שלמסתם זה יש אנטומיה ופעולה מכנית מסובכים הרבה יותר מאשר במסתם אבי העורקים. הבנה טובה יותר של תפקודו תעזור לשפר טיפולים קיימים ולפתח שתלים חדשים שיצליחו לעמוד בעומסים המכניים הפועלים במסתם זה ולשפר את איכות חיי החולים" מסביר ד"ר מרום.

 

דוגמא למודלים של פעילות הלב במצב מכווץ ורפוי (צד ימין) ושל זרימת הדם דרך מסתם תותב (צד שמאל)

 

לאתר קבוצת המחקר

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

 

 
כיצד ניתן לזהות חוסר שיווי משקל של מערכות שונות?

מחקר

13.08.2019
כיצד ניתן לזהות חוסר שיווי משקל של מערכות מורכבות?

ד"ר גילי ביסקר יחד עם חוקרים מאוניברסיטת מישיגן ואוניברסיטת קומפלוטנסה פרסמו את מחקרם ב Nature Communications המסביר כיצד ניתן לכמת את שבירת הסימטריה להיפוך-בזמן ללא זרמים

  • nanotechnologies
  • optical nanosensors
  • nanotechnologies
  • optical nanosensors

ד"ר גילי ביסקר מהמחלקה להנדסה ביו רפואית ומנהלת המעבדה לאופטיקה, ננו-טכנולוגיה, וביופיזיקההצטרפה לפקולטה להנדסה באוניברסיטת תל אביב אחרי 6 שנים באוניברסיטה היוקרתית ואחת הטובות בעולם - MIT שם עבדה במעבדה ניסיונית במחלקה להנדסה כימית ופתחה ננו-גלאים אופטיים המבוססים על ננו-צינוריות מפחמן וגילתה ננו-גלאים לחלבונים פיברינוגן ואינסולין. לאחר מכן עסקה במחקר תיאורטי במחלקה לפיזיקה ב- MIT שם עבדה על תהליכי הרכבה עצמית מחוץ לשיווי משקל, ובהסקת מסקנות לגבי מערכות מורכבות מחוץ לשיווי משקל מתוך מידע חלקי.

 

פיתוח שיטות לאבחון וטיפול חדשות

"המעבדה בפן הניסיוני, מתמקדת בפיתוח כלים ננו-טכנולוגיים שיאפשרו לעקוב אחרי תהליכים מולקולרים, בשאיפה להבין את הדינמיקה של אותם תהליכים. כלים אלו מבוססים על ננו-חלקיקים הפולטים פלורסנציה בתחום האינפרא אדום, ויכולים לגלות שינויים בסביבה הקרובה שלהם או ספיחה של מולקולות על פני השטח שלהם. בעזרת מעקב אחרי התכונות האופטיות של הננו-חלקיקים הללו במערכות ביולוגיות אפשר ללמוד עליהן ולקבל מידע חדש על תהליכים מיקרוסקופיים שאחראיים על ההתנהגות המקרוסקופית שלהן. כך מסבירה ד"ר ביסקר.

בין השאר, ניתן להשתמש באותם ננו-חלקיקים כסנסורים למולקולות ביולוגיות עבור אפליקציות ביורפואיות על מנת לפתח שיטות אבחון וטיפול חדשות. למשל, במעבדה מפתחת ד"ר ביסקר ננו-סנסורים לחלבונים וביו-סמנים של מחלות כגון סרטן וסכרת, לצורך גילוי מוקדם, ניטור התקדמות המחלה, ובדיקה של יעילות טיפול.

 

שבירה של סימטריית ההיפוך-בזמן

המעבדה אף מתמקדת בפן התיאורטי בו ד"ר ביסקר מפתחת כלים אנליטיים ונומריים לזיהוי של חוסר שיווי-משקל תרמודינאמי על מנת להבין תהליכים מולקולרים שאחראים לקיומם של חיים. למשל, תא חייב להשקיע אנרגיה על מנת להעביר מטען מקצה אחד של התא לקצהו השני, או על מנת לשנות את מבנה השלד שלו לטובת תנועה במרחב. אלו הן דוגמאות לתהליכים מחוץ לשיווי משקל החיוניים לתפקוד תקין של התא.

 

כל המערכות החיות נמצאות רחוק משיווי משקל, שמתבטא גם בשבירה של סימטריית ההיפוך-בזמן. כאשר יש במערכת תנועה בכיוון מועדף, או זרם הנראה לעין, קל לזהות שהמערכת אינה בשיווי משקל. לעומת זאת, בהעדר זרם זיהוי הכוחות הפנימיים או החיצוניים שדוחפים את המערכת מחוץ לשיווי-משקל נהיה מאתגר. במקרה זה, ד״ר ביסקר ומשתפי פעולה מאוניברסיטת קומפלוטנסה של מדריד ומאוניברסיטת מישיגן בארה״ב, הדגימו כיצד ניתן לכמת את שבירת הסימטריה להיפוך-בזמן ללא זרמים.

 

המחקר, שהתפרסם לאחרונה בעיתון  Nature Communications, מראה אין ניתן להשתמש בשיערוך המבוסס על פילוג ההסתברות של זמני המתנה כדי לזהות חוסר שיווי משקל. בעזרת השוואת ההתפלגויות של תזמון התהליכים הנצפים במערכת לבין ההתפלגויות של תזמון התהליכים ההפוכים בזמן, ניתן לכמת את אותה שבירת סימטריה ובכך לתת חסם תחתון לכמה רחוקה המערכת משיווי משקל. מדד זה יכול לעזור להבנה בסיסית של מערכות חיות, וללמד אותנו על יעילות של תהליכים מולקולרים, או על המחיר התרמודינמי ההכרחי לדיוק שלהם. ההבנה הזו יכולה גם לעזור לפיתוח מערכות סינטטיות השואבות השראה ממערכות ביולוגיות.

חלקיק נע בקו חד מימדי, עם הסתברות שווה לקפוץ למעלה או למטה. בממוצע, אין זרם במערכת, אך מתוך פרקי הזמן בהם החלקיק מבלה במצבים השונים, לפני קפיצה למעלה לעומת לפני קפיצה למטה, ניתן להסיק שבירת סימטריה להיפוך בזמן

חלקיק נע בקו חד מימדי, עם הסתברות שווה לקפוץ למעלה או למטה. בממוצע, אין זרם במערכת, אך מתוך פרקי הזמן בהם החלקיק מבלה במצבים השונים, לפני קפיצה למעלה לעומת לפני קפיצה למטה, ניתן להסיק שבירת סימטריה להיפוך בזמן.

 

לינק למאמר 

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

מהנדסים מים בקיץ הישראלי

מחקר

12.08.2019
מהנדסים מים בקיץ הישראלי

החוקרות והחוקרים מבית הספר להנדסה מכנית עוקבים אחר בעלי החיים והצמחים שחיים בתנאי קיצון, לומדים על התכונות הייחודיות שהם סיגלו לניצול חכם של מים, ומפתחים דרכים שיעזרו גם לנו ואפילו למחשבים שלנו לשרוד בחום שעוד מצפה לנו בהמשך.

החוקרת ד"ר בת אל פנחסיק מפתחת מערכות ביומימטיות, המחקות פתרונות של חיות מדבריות לבעיית המים. במעבדה שלה Biomimetic Mechanical Systems and Interfaces מתמקדמים בביומימטיקה. כלומר, לומדים מאופן פעילותן של חיות בטבע, למשל חרקים וזוחלים, על מנת למצוא פתרון לבעיות אנושיות. את הפתרונות הטבעיים מתרגמים לשימוש בחומרים חכמים שהופקו במעבדה, ומנגנונים פיסיקליים והנדסיים, למשל רובוטים, שמחקים את פעולות החרקים והזוחלים.

 

החוקר ד"ר הרמן האושטיין המתמקד במעבדה שלו MyFET Lab בתחומים של מעבר חום והזרימה בסקאלות מיקרו, מנגנוני קירור שקוטרם הוא בסדר גודל של עובי שערה בודדת. כיום אחד הגורמים המגבילים את תעשיית האלקטרוניקה היא צפיפות הרכיבים שדורשים הספקת חשמל. מצד אחד המהנדסים במעבדה רוצים להצליח להכניס כמה שיותר רכיבים בשטח קטן מאוד, מה שגורם לרכיב להתחמם מאוד, ומצד שני – למצוא דרכים להוציא מהם את החום באופן הכי יעיל. על מנת לקרר את הרכיבים יש צורך באספקת זורם קר, שיסלק את החום מתוך מערכים בסדר הגודל של מיקרונים (עובי שערה הוא 100-50 מיקרון). המחקר של ד"ר האושטיין וצוותו תורם לתכנון מערכות אלקטרוניות מורכבות כגון מחשבים, מערכות נשק ומכשור רפואי.

 

הכנסו לקישור לכתבה המלאה: https://www.tau.ac.il/article/using-every-drop

 

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

 

 
הפלסטיק החדש  מנצח בקרב על המדוזות

מחקר

19.06.2019
הפלסטיק החדש מנצח בקרב על המדוזות

פיתוח חדש של פרופ' שחר ריכטר מייצר פלסטיקים מתכלים וידידותיים לסביבה בעזרת תוספים טבעיים לפולימרים של המדוזה 

  • Smart Biomedical Materials
  • Smart Biomedical Materials

מי את המדוזה?

מדוזות הינן יצורים ימיים אשר קיימים מיליוני שנים ונפוצים במרבית מקווי המים הגדולים בעולם. כיום ידוע על כ 200 מיני מדוזות בעולם. למדוזה אין לב, עיניים, דם או זימים. בגופה יש תאי עצב ושרירים שעוזרים לה לנוע, לצוד בעלי חיים קטנים, להגיב לסכנה ולנוס. יש להן אפשרות להבדיל בין אור לחושך באמצעות תאי חישה המצויים בחלק החיצוני של הפעמון ובזרועות החיצוניות שמסביב. גופה מורכב מ 80-90% מים, והשאר מחומרים אחרים כולל חלבונים. למדוזות יש חוש ריח, טעם ומגע/מישוש. הזרועות החיצוניות הינן זרועות הצייד. הזרועות הפנימיות הן זרועות הפה המסייעות להביא את הטרף לחלל העיכול. מזונן העיקרי הוא דגים קטנים, פלנקטון ומדוזות קטנות. בזרועות הצייד מצויים תאי צריבה המכילים בלוטות ארס אשר בנויות משערת חישה ועוקץ. בעת נגיעה בזרועות נורה העוקץ כמו צלצל והארס המצוי בו מוחדר לגופו של בעל החיים.

 

עלייה לא פרופורציונלית באוכלוסייתן של המדוזות

בשנת 2007 גרמה הגדילה באוכלוסיית המדוזות בצפון אירלנד למותם של דגי סלמון בשווי של 2 מיליון דולר. גם בחופי יפן תעשיית הדייג סובלת קשות מתופעה זו. אלו רק שתי דוגמאות לכך שבשנים האחרונות אנו עדים לתופעה מדאיגה של עלייה לא פרופורציונלית באוכלוסייתן אשר גורמת לנזקים אקולוגים וכלכליים רבים. חוקרי מדוזות טוענים שהמדוזות קיימות כבר 500-700 מיליון שנה והפשטות האנטומית שלהן אפשרה להן לפתח יכולות הישרדות יעילות כל כך, עד שהן מאתגרות כל מה שחשבנו על חיים ומוות.

 

מה אם מדוזה יכולה לשמש לייצור פלסטיק?

בדו"ח במימון האו"ם קראו המחברים לנצל את המדוזות אשר מהוות מקור מתחדש לחומרים חשובים לצרכי האדם, למשל שימוש בחלבון קולגן הנמצא בגופן ומתאימים מאוד לטיפול במחלות פרקים (קולגן: חלבון מבני המהווה את המרכיב העיקרי של הסיבים הלבנים ברקמות חיבור, דוגמת גידים, רצועות, עור, עצמות, כלי דם, מעיים וסחוס).

 

קבוצתו של פרופסור שחר ריכטר, העומד בראש המעבדה לאלקטרוניקה ביו-מולקולרית וחומרים מתקדמים במחלקה למדע והנדסה של חומרים והמרכז לננוטכנולוגיה, מפתחת כבר כמה שנים חומרים חדשים המבוססים על מדוזות. בפרסום שהופיע לאחרונה בכתב העת Advnced Sustainble systems הדגימו פרופ' ריכטר, תלמידת המחקר לירון רשף-שטינברגר ושותפו פרופ' מיכאל גוזין שטה איך ליצר פלסטיקים מתכלים וידידותיים לסביבה מהמדוזות. התהליך שבו יוצרו הפולימרים הינו פשוט וידידותי לסביבה. בעזרת הוספה של תוספים טבעיים לפולימרים שהופקו מהמדוזה, הושגה שליטה על תכונותיהם המכניות אשר יאפשרו את שמושם למגוון חומרים מתכלים.

פינוי פצועים באמצעות כלי טיס בלתי מאוישים

מחקר

22.05.2019
פינוי פצועים באמצעות כלי טיס בלתי מאוישים

פיתוח פורץ דרך של סטודנטים לתואר ראשון מבית הספר להנדסה מכנית מציעים טכנולוגייה חלופית ובטוחה לחילוץ פצועים משטח קרב

  • AI
  • drone
  • Machine Learning
  • AI
  • drone
  • Machine Learning

העימות האחרון ברצועת עזה אמנם נרגע לעת עתה, אולם בצה"ל מודעים לכך שסבב הלחימה הבא כבר נמצא בפתח. הסטודנטים שלנו לא עוצרים לרגע וחושבים רק קדימה בפיתוח פתרון מהפכני בכל הקשור לפנוי פצועים בשדה הקרב.

 

דור פראג', תום סלומון וגיא יזרעאלי הם סטודנטים לתואר ראשון מבית הספר להנדסה מכנית בפקולטה להנדסה אוניברסיטת תל אביב והם אחראים על הפיתוח פורץ הדרך כחלק מפרויקט הגמר שלהם, בליווי של רוני שפיר ודני ברקו

 

עבור דור, תום וגיא הפרויקט הזה היווה בחירה טבעית לאור תפקידיהם בצבא בסדיר ובשרות המילואים. גיא יזרעאלי משרת במילואים כקצין תומך לחימה ביחידת פלה"ק (פלוגת החייאה קדמית), תום סלומון משרת במילואים כלוחם וחובש ביחידת עורב צנחנים ודור פראג' משרת במילואים ביחידת המודיעין של פיקוד דרום אשר בין היתר מנהלת את פינוי הנפגעים בגזרה. "דיברנו ביננו על הצורך בחילוץ פצוע מן הסוג הזה אשר יתבצע ללא סיכון חיילים נוספים בשטח" כך מסביר תום. "לאור השירות הצבאי נחשפנו לשיטות הפינוי השונות בצה"ל (רכוב, מוסק וימי) וזיהינו את הבעיה אותה ניסינו לפתור".
 

רחפן המאפשר פינוי מהיר

שיטות פינוי הלוחמים בשדה הקרב הנהוגות כיום טומנות בחובן סיכון רב, הן לצוות המחלץ והן למחולץ עצמו. כיום אין דרך חילוץ שאינה דורשת הימצאות המחלץ בשטח, ויתרה מכך, מלבד חילוץ מוסק (שהינו יקר ומסוכן), אין אפשרות לחילוץ אווירי.

 

במסגרת פרויקט הגמר לתואר ראשון, הציעו הסטודנטים שיטת חילוץ שאינה דורשת הימצאות המחלץ בשטח, זאת באמצעות רחפן המאפשר פינוי מהיר, זול, יעיל ובטיחותי - הן למפעיל הרחפן והן לחייל הפצוע. בעת הגעת הרחפן לנקודת האיסוף, המערכת מסוגלת לבצע עיגון והרמת הפצוע באופן עצמאי ללא גורם אנושי הנמצא בנקודת הפינוי.

 

על הרחפן לשאת במשקל מקסימלי של 120 ק"ג, מהירות הפינוי תהא עד 50 קמ"ש בגובה של כ-2 מטרים, כאשר הפינוי יתבצע למרחק קצר (כ- 200 מטר). פינוי הפצוע יעשה באמצעות רתמה ייעודית או אבזם ייעודי המחובר לאפוד שלו כאשר הוא שוכב על הגב, על הצד או על הבטן.

 

במהלך ביצוע סקר של שוק הרחפנים לנשיאת  משקלים גדולים, הגיעו הסטודנטים למסקנה כי הרחפן eVTOL CAV מבית Boeing הינו הרחפן המתאים ביותר לדרישות הפרויקט. במסגרת הפרויקט סקרו הסטודנטים שלוש חלופות אפשריות שעונות על דרישות הפרויקט ובחרו בחלופת כננת עם כבל המובל באמצעות שרוול טלסקופי, שבקצהו מנגנון נעילה מכאני העושה שימוש במגנט לצורך מיקום טבעת הנעילה בסוגר.

 

בוצעו אנליזות חוזק להוכחת יכולת ההרמה של המנגנון חיבור והתקבל מקדם ביטחון 15:

3. התממשקות מנגנון הנעילה                           2. הרחפן מעל נקודת פינוי הפצוע                     1. הרחפן נישא על גבי רכב צבאי    

 

הפנים מאחורי הפיתוח - מימין לשמאל: דור פראג', גיא יזרעאלי ותום סלומון

דימות וגילוי מרחוק ע"י גלי טרה-הרץ

מחקר

12.05.2019
דימות וגילוי מרחוק ע"י גלי טרה-הרץ יאפשרו זיהוי של חומרי נפץ, תרופות

פרופ' טל אלנבוגן יחד עם סטודנטים מקבוצת המחקר שלו פיתחו טכנולוגיה חדשה ליצירה ושליטה בקרינת טרה-הרץ בעזרת מטא-חומרים

  • Metamaterials
  • Nonlinear optics
  • Optics
  • Metamaterials
  • Nonlinear optics
  • Optics

החודש התפרסם מאמר פורץ דרך של פרופ' טל אלנבוגן, מהמחלקה לאלקטרוניקה פיזיקלית בבית הספר להנדסת חשמל וראש המעבדה לננו אלקטרואופטיקה, יחד עם חוקרים נוספים מאוניברסיטת תל אביב ואוניברסיטת בראון בארה"ב, בתחום של יצירה ושליטה בקרינת טרה-הרץ בעזרת מטא-חומרים בעיתון היוקרתי  Nature Communications.

 

גלי טרה-הרץ

גל אלקטרומגנטי הוא למעשה "הפרעה" של שדה חשמלי ומגנטי בעלת מחזוריות ומבנה גלי המתפשטת במרחב במהירות האור. גלים אלקטרומגנטיים, כמו גלי רדיו, מגיעים בתחום רחב של תדירויות המכונה הספקטרום האלקטרומגנטי (כלומר אוסף כל הגלים האלקטרומגנטיים). ספקטרום זה משתרע מגלי הרדיו בעלי תדירויות נמוכות ועד לגלי גאמה (קרינה בתדירות גבוהה מזו של X-ray). האור הנראה, התדירויות אותן בני האדם יכולים לראות, הוא רק חלק קטן מכל התחום של גלים אלקטרומגנטיים. 

 

כיום קיימים אמצעים מדעיים וטכנולוגיים כגון אנטנות, מנורות, לייזרים וגלאים המאפשרים להפיק ולקלוט גלים על פני כמעט כל תחומי הספקטרום האלקטרומגנטי. אמצעים אלו מאפשרים אינספור של ישומים כמעט בכל תחומי המדע והטכנולוגיה הקיימים מתקשורת, דימות, זיהוי עצמים עד לאבחון רפואי. לעומת זאת תחום גלי הטרה-הרץ, המתנדנדים בתדירויות הנמצאות בין גלי מיקרו לאור האינפרא אדום, נותר באפלה. הסיבה היא מכיוון שתדירויות אלו מהירות מידי ליצירה וקליטה בעזרת מעגלים חשמליים ובעלות אנרגיות נמוכות מידי ליצירה וקליטה באמצעים המשמשים ליצירה וקליטה של אור. אמנם קיימים מספר אמצעים ליצירה ולקליטה של קרינת טרה-הרץ, אך אלו מוגבלים ביכולת השליטה בתדירויות ובעוצמות שלהם, או מצריכים תנאי הפעלה קיצוניים כגון טמפרטורות נמוכות מאוד. בנוסף, קיימים רק כלים מעטים לעיצוב קרני טרה-הרץ כמו עדשות או מקטבים. למרות הקושי בעבודה עם קרינת טרה-הרץ, מאמצים רבים מושקעים בפיתוח רכיבים יעילים לתחום תדירויות זה עקב מגוון של שימושים חשובים של קרינת טרה-הרץ. מערכות המשתמשות בקרינת טרה-הרץ יפתחו את הדלת לזיהוי ואף שליטה במולקולות, זיהוי של תרופות אמת או תרופות מזויפות, דימות רפואי בקרינה שאינה מייננת, גילוי חומרי נפץ, חומרי ריסוס, יצירת תקשורת נתונים מהירה ועוד מגוון רחב של יישומים חשובים.

 

יצירה עיצוב ושליטה בקרני טרה-הרץ על ידי מטא-משטחים אופטיים

מחקר חדש שבוצע על ידי הסטודנטים שי קרן צור ומאי טל מהקבוצה של פרופ' טל אלנבוגן מבית הספר להנדסת חשמל, בשיתוף פעולה עם ד"ר שר-לי פליישר מבית ספר לכימיה באוניברסיטת תל אביב ופרופ' דניאל מיטלמן מאוניברסיטת בראון שבארה"ב, מראה כיצד ניתן להשתמש במשטחים דקים (בעובי עשרות ננומטרים) המכונים מטא-משטחים אופטיים, ליצירה יעילה של קרינה בתחום הטרה-הרץ ולעיצוב ושליטה בקרינה.

 

המשטחים בנויים מאלמנטים בסקאלה ננומטרית, שיוצרו במרכז הננו של אוניברסיטת תל אביב. כל אלמנט כזה משמש כננואנטנה הקולטת אור מלייזר בתחום האיפרא-אדום בעל פולסים קצרים באורך של פמטו-שניות ומייצרת ביעילות יחסית פולסים של קרינת טרה-הרץ. על ידי שליטה באנטנות על גבי המטא-משטח החוקרים מראים שניתן לעצב את צורתו המרחבית והזמנית של פולס הטרה-הרץ שנוצר בצורה שלא ניתנת להשגה באמצעים הקיימים עד כה. היכולת הזו פותחת פתח למגוון רחב של יישומים חדשים לקרינת טרה-הרץ.

 

החוקרים מאמינים שבעתיד יהיה ניתן לשלב מקורות חדשים כאלו במערכות גילוי ואפיון חומרים, רכיבים, תרופות ובמערכות דימות טרה-הרץ רפואיים.

 

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

מחקר חדש על זיהוי עצמים משנה עקרונות ותיקים של טכנולוגיות רדאר

מחקר

29.04.2019
מחקר חדש על זיהוי עצמים משנה עקרונות ותיקים של טכנולוגיות רדאר

ד"ר פבל גינזבורג, מהפקולטה להנדסה, פיתח יחד עם חוקרים מאוניברסיטת תל אביב סוג חדש של מכ"ם שמסוגל להבחין בין עצמים ברזולוציה גבוהה ביותר גם כשהוא פועל ברוחב פס קטן פי 100 מזה הנדרש בטכנולוגיות הקיימות

  • Nanophotonics
  • Optics
  • Radio Physics and Engineering
  • Nanophotonics
  • Optics
  • Radio Physics and Engineering

טכנולוגיות רדאר עוצבו במקור בכדי לזהות ולעקוב אחרי מטרות אוויריות צבאיות. היום הן משמשות לרוב בזיהוי רכבים, חיזוי מזג אוויר ומחקר גיאולוגי. עד עתה, מדענים האמינו כי דיוק ורזולוציית הרדאר קשורות לטווח התדרים או רוחב הפס. כעת מחקר חדש בפקולטה להנדסה של אוניברסיטת תל אביב מגלה כי גישה בהשראת טומוגרפיה אופטית קוהרנטית (OCT) דורשת רוחב פס קטן עד ככל לא, על מנת ליצור מפה סובבת רדאר ברזולוציה גבוהה.

 

"הצלחנו להדגים סוג שונה של מערכת טווחים בעלת טווח רזולוציה איכותי אשר חופשיה כמעט לחלוטין ממגבלות רוחב הפס", אומר פרופ' פבל גינזבורג. "לטכנולוגיה החדשה יש שלל שימושים, בעיקר בכל הקשור לתעשיית הרכב. יש לציין כי האמצעים הקיימים תומכים בגישה החדשה שלנו, כך שניתן ליישם אותה באופן כמעט מיידי".

 

המחקר החדש בוצע במשותף ע"י פרופ' גינזבורג, ויטלי קוזלוב ממעבדתו של פרופ' גינזבורג, רוני קומיסרוב ודמיטרי פילונוב, מביה"ס לחשמל בפקולטה להנדסה. המאמר פורסם בכתב העת   Nature Communications ונתמך על ידי מלגת ERC קמין.

 

למנוע את פקקי התנועה של העתיד

האמונה הרווחת בנוגע לרזולוציית הרדאר הייתה כי האיכות עולה בהתאמה לרוחב הפס בו נעשה השימוש. כלומר, רדאר טוב ומדויק דורש רוחב פס גדול, דבר שעלול להוות מגבלה בעתיד. "התפיסה שלנו מציעה פתרונות במצבים שמצריכים רזולוציה גבוהה ודיוק, אך רוחב הפס האפשרי מוגבל, כמו למשל בתעשיית הרכבים האוטונומיים, עיבוד תמונה ואסטרונומיה", מסביר קוזלוב. "אין רכבים רבים היום על הכביש שבהם יש רדאר, כך שאין כמעט תחרות על התדרים המוצעים. אבל מה יקרה בעתיד, כאשר כל רכב יהיה מצויד בטכנולוגיית רדאר שדורשת את מלוא רוחב הפס? אנחנו נמצא את עצמנו בסוג של פקק תנועה ברדיו. הפתרונות שלנו מאפשרים לנהגים לחלוק את רוחב הפס הקיים ללא בעיה".

 

שימוש ברדאר לצורך הצלה

"ההדגמה שלנו היא רק השלב הראשון בסדרה של גישות חדשות לגלאי טווח-רדיו שחוקרים את ההשפעה של רדארים בעלי רוחב פס קטן בתחומים מסורתיים", מסכם פרופ' גינזבורג. "אנו מתכוונים ליישם את הטכנולוגיה הזו על תחומים שלא נחקרו בעבר, כמו מבצעי חילוץ והצלה – על ידי גילוי אדם שקבור מתחת לבניין שהתמוטט, או מיפוי הרחוב כדי לנבא אם ילד עומד לחצות את הכביש מאחורי אוטובוס שמסתיר אותו".

 

מעבר למאמר

 

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

חרקים בשרות האדם

מחקר

17.02.2019
פיתוח טכנולוגיות בהשראת ממלכת בעלי החיים

ד"ר בת-אל פנחסיק, מביה"ס להנדסה מכנית, הפקולטה להנדסה באוניברסיטת תל אביב, לומדת מחרקים וזוחלים איך לפתור בעיות של איסוף והובלת מים, הדבקה הפיכה ותנועה בתנאים מאתגרים.

  • Biomimicry
  • Biomimicry

במעבדה של ד"ר פנחסיק Biomimetic Mechanical Systems and Interfaces מתמקדמים בביומימטיקה. כלומר, לומדים מאופן פעילותן של חיות בטבע, למשל חרקים וזוחלים, על מנת למצוא פתרון לבעיות אנושיות. את הפתרונות הטבעיים מתרגמים לשימוש בחומרים חכמים שהופקו במעבדה, ומנגנונים פיסיקליים והנדסיים, למשל רובוטים, שמחקים את פעולות החרקים והזוחלים

 

לקבל השראה מהטבע לפתרון בעיות אנושיות

חיות בטבע מתמודדות עם בעיות קיומיות רבות הנובעות מאתגרים סביבתיים כגון: כיצד לשרוד בתנאים מדבריים? איך ניתן ללכת מתחת למים באיזורים רטובים? כיצד להעביר נוזלים ממקום למקום בצורה יעילה? כיצד להישאר נקיים בסביבה בוצית? בטבע ניתן למצוא פתרונות חכמים לבעיות אלו. פתרונות אלו התפתחו לאורך האבולוציה והתייעלו כך שכבר בגדלים קטנים מאוד, ננומטריים, ניתן לראות שימוש נפלא בצורה ובחומר, אשר משפיעים על התכונות המאקרוסקופיות.

 

דוגמא מרתקת היא של חיפושית שחיה במדבר נמיב (מדבר באפריקה הדרומית) אשר משתמשת בטל הבוקר על מנת להרוות את צימאונה. הגב שלה מכוסה במבנה מיוחד של בליטות מיקרומטריות שמושכות אליהן מים ומרכזות אותם בטיפות מסודרות. הטיפות הללו גדלות, מתחברות אחת לשניה ובשלב מסויים מתגלגלות אל פה החיפושית. למעשה, החיפושית אינה עושה שום פעולה אקטיבית- איסוף המים מתרחש בגלל תכונות פני השטח שעל גבה, עם קצת עזרה של הרוח. לטאות מסוימות אף משתמשות במנגנונים מתוחכמים על מנת לשנע מים מגבן אל הפה. הן מכוסות בקשקשים היוצרים רשת דו-מימדית על גבן. הרשת היא למעשה דיודה לנוזלים - מאפשרת הולכת המים בכיוון אחד - היישר אל תוך הפה.

 

לחקות את הטבע 

"במעבדה החדשה שלנו, אנו מבקשים להבין את המנגנונים מאחורי הפתרונות החכמים מהטבע: מה הם החומרים המשמשים את החרקים והלטאות? מה מיוחד בפני השטח שלהן, שמאפשר פתרונות יעילים לאתגרים סביבתיים? אנחנו שואפים ללמוד מחיות אלו על מנת לפתח חומרים חדשים ומערכות שמחקות את הפעולות הללו בהצלחה. באופן אידיאלי - אנו שואפים לא רק לחקות אלא גם להתעלות ולהרחיב מעבר למה שהטבע מציג לנו. מאחר והטבע מורכב, הדרך להבין אותו חייבת להיות רב-תחומית. מסיבה זו הצוות שלנו הוא רב תחומי ומורכב ממהנדסים מכניים, פיסיקאים, כימאים ומהנדסי חומרים" מסבירה ד"ר פנחסיק.

 

תקריב של רגל חיפושית רגע לפני המגע עם טיפת מים

בתמונה: תקריב של רגל חיפושית רגע לפני המגע עם טיפת מים.

 

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

אוניברסיטת תל-אביב, ת.ד. 39040, תל-אביב 6997801
UI/UX Basch_Interactive