מחקרים

RESEARCH

מה מעניין אותך?

כל הנושאים

חדשות המחקרים

carousle news research: 
תמונת באנר: 
בחר את סוג הלובי: 
מחקרים
חומר שמשנה צורה כל פעם באופן אחר

מחקר

22.07.2021
החומר החדשני שמגיב בכל פעם בצורה שונה לאותן הפעולות בדיוק

חוקרים מאוניברסיטת תל אביב פיתחו חומר חדשני שמגיב בשלל צורות ותבניות בכל פעם שמופעלים עליו מאמצים חיצוניים

  • מחקר
  • הנדסה מכנית

לרוב, נהוג לאפיין תכונות מכניות של חומר על ידי הפעלת מאמצי לחיצה ומשיכה על קצותיו. חומרים פשוטים, המוכרים לנו מחיי היומיום, נוטים להגיב באותה הצורה עבור עומס חיצוני נתון.

 

ד"ר קארל מריגן, פוסט-דוקטורנט בקבוצתו של פרופ' יאיר שוקף מבית הספר להנדסה מכנית באוניברסיטת תל אביב, מציע מטא-חומר חדשני ששובר את התבנית הזו. במחקרם שפורסם לאחרונה בכתב העת Physical Review Research, מציעים מריגן ושוקף חומר העשוי מרכיבים בעלי תכונות מכניות שונות: שילובם לכדי סריג מחזורי מניב חומר המסוגל להראות תגובות מכניות שונות ומגוונות, בתגובה לאותו הדרבון בדיוק.

 

מטא-חומר 

לדברי מריגן ושוקף, מטא-חומר זה, שדומה לקרח, "עשוי להוות צעד נוסף בדרך לפיתוח חומרים חדשניים שזוכרים את ההיסטוריה של המאמצים המחזוריים הקודמים שהופעלו עליהם".

 

מטא-חומר הוא מבנה מלאכותי שמורכב מצורה שחוזרת על עצמה, בדומה לחומר טבעי שמורכב מאטומים שמסודרים בצורה מחזורית בגביש. סידור הנדסי מסוים של תאי היחידה החוזרים על עצמם במטא-חומר  מעניק לחומר תכונות ייחודיות שאינן קיימות בחומר הטבעי. רק לאחרונה גילו חוקרים מאוניברסיטת תל אביב, בהם פרופ' שוקף עצמו, מטא-חומר חדש אשר שובר את מגבלות החוק השלישי של ניוטון.

 

סריגים וגבישים מחזוריים בטבע מחולקים לעצמים בסיסיים הנקראים תאי יחידה, ממש כפי שגוף האדם מחולק לתאים. לכל תא יחידה במטא-חומר זה יש שני עיוותים אפשריים הממזערים את האנרגיה המכנית. עקב כך, אזורים שונים בחומר יכולים להימצא באחד משני מצבים יציבים מכנית, בדומה לאזורים עם קיטובים הפוכים במגנט.

 

דפוס הדרבון בקצות החומר מביא לבחירה של מופע מכני מועדף על פני מקטע מסוים. מאחר שכל אזור יכול להימצא במופע אחר, ניתן כך לכוון את הצורה של החלוקה הפנימית למופעים. החלוקה הפנימית הזו היא שמאפשרת עושר עצום של דפוסי תגובה, והמערכת יכולה להיקלע למצבים עמידים שונים כאשר הכוח החיצוני המופעל על הקצוות משתנה בצורה מחזורית בזמן. כך, למערכת גמישות רבה ופוטנציאל לתכנות: ניתן לכוון את התגובות על ידי שינוי המספר והפילוג של מקטעי הלחיצה על שפת החומר, ניתן ללחוץ על מערכות בצורות שונות ועם סימטריות שונות, וניתן ללחוץ על מקטעים שונים במופעים שונים ובעוצמות שונות.

 

"אנו מאוד שמחים ונרגשים מהתוצאות", אומר פרופ' שוקף, "ומקווים כי זו רק תחנת ביניים לקראת פריצות דרך משמעותיות עוד יותר בתחום המטא-חומרים, שהוא מדע עולה ופורח".

 

לכתבה ב YNET

 

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

רוני ארליך וד״ר גילי ביסקר במעבדה האופטית

מחקר

07.07.2021
פלטפורמה חדשנית היכולה לספק משוב מיידי על הפרשת אינסולין מתאי לבלב

סטודנטית לתואר שני וחוקרת מהפקולטה להנדסה פיתחו פלטפורמה שבעתיד תוכל לאפשר ניטור ספיחת אינסולין ברקמה לאחר הזרקה על ידי משאבת אינסולין, ובכך לשפר את הטיפול הניתן לחולי סוכרת.

  • מחקר
  • הנדסה ביו-רפואית

רוני ארליך היא סטודנטית לתואר שני בהנדסה ביו-רפואית במעבדה של ד"ר גילי ביסקר "המעבדה לאופטיקה, ננו-סנסורים, וביופיזיקה" שמפתחת וחוקרת יחד עם חברי המעבדה ננו-חיישנים אופטיים. לאחרונה מאמרה בהנחיית ד"ר ביסקר התפרסם במגזין המדעי Small, ואף נבחר להופיע על הכריכה של הגיליון הקרוב של Small שיצא לאור ב 28 ליולי. במחקר השתתפו גם ד״ר עדי הנדלר-נוימרק ד״ר ורנה וולף ודין אמיר

 

המאמר של רוני עוסק בפיתוח פלטפורמה חדשנית היכולה לספק משוב מידי על הפרשת אינסולין מתאי בטא באמצעות סיגנל אופטי. תאי הבטא, הם התאים בלבלב האחראים על ייצור והפרשת אינסולין על מנת לווסת את רמות הסוכר בדם.

 

המעבדה של ד"ר ביסקר מתמקדת בפיתוח כלים ננו-טכנולוגיים שיאפשרו לעקוב אחרי תהליכים מולקולריים, 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. 

 

תגליות במאמר שפורסם

המחקר כלל את פיתוח הסנסורים לאינסולין, אפיונם, והדגמה של השימוש בהם. הסנסורים מבוססים על ננו-צינוריות מפחמן שעברו אקטיבציה המאפשרת זיהוי בזמן אמת של מולקולת המטרה. ננו-הצינוריות מפחמן פולטות פלורסנציה בתחום האינפרא-אדום הקרוב, ובכך מאפשרים דימות בעומק רקמות ודוגמאות ביולוגיות. עוצמת האות הפלורסנטי של החיישנים משתנה עקב קישור האינסולין לפני השטח של הננו-צינוריות וכך מתקבל המשוב על זיהוי מולקולות האינסולין.

 

באמצעות עקומת כיול עבור ריכוזים שונים של אינסולין ניתן להסיק ריכוז לא ידוע של אינסולין מתוך התגובה הפלורסנטית. "במחקר זה הדגמנו בפעם הראשונה את השימוש בננו-צינוריות הפחמן לזיהוי אינסולין בתרבית תאי בטא המפרישים אינסולין בתגובה לגלוקוז. מתוך אנליזה של התגובה הפלורסנטית הצלחנו לכמת באופן מדויק את כמות האינסולין שמופרש ע"י תאי הבטא ולקבל משוב בזמן אמת על יכולת התפקוד של התאים" מסבירה רוני.

בתמונה: איקטוב הננו-צינוריות בצורה חכמה הפך אותן לסנסורים אופטיים לאינסולין. בתגובה לקישור של האינסולין לסנסורים, עוצמת האות הפלורסנטי של הננו-צינוריות משתנה וכך מתקבל המשוב על זיהוי מולקולות האינסולין. מתוך התגובה הפלורסנטית ניתן לחשב באופן מדויק את כמות האינסולין המופרש מתאי הבטא.

 

בשורה משמחת לחולי הסוכרת

פיתוח זה יכול לתרום למחקר בתחום מנגנוני מחלת הסוכרת הקשורה בתפקוד לא תקין של תאי הבטא, בעזרת היכולת לקבל משוב בזמן אמת על פעילותם. בעתיד, הסנסורים יוכלו לאפשר ניטור ספיחת אינסולין ברקמה לאחר הזרקה על ידי משאבת אינסולין, ובכך לשפר את הטיפול הניתן לחולי סוכרת.

 

האישה מאחורי המחקר

רוני סיימה את התואר הראשון שלה במחלקה להנדסה ביו-רפואית ב- 2019 ומיד המשיכה לתואר שני בקבוצה של ד״ר גילי ביסקר. במהלך התואר השני זכתה במלגת משרד המדע ללימודי תואר שני בהנדסה ובמדעים מדוייקים, במלגת הצטיינות של מכון גרטנר למערכות רפואיות ננומטריות, ובמלגת הצטיינות לתואר שני של הפקולטה להנדסה באוניברסיטת תל אביב. רוני נשואה לאריאל מ"פ לוחם בחיל בשריון ובמהלך התואר הראשון נולדו לה שתי בנות מקסימות עלמא (4) ומאיה (2) – כבר אמרנו superwoman אמיתית?

 

הקליקו למאמר המלא כאן.

 

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

חיישן המתחבר לעצב

מחקר

07.07.2021
טכנולוגיה המשחזרת את תחושת המגע בעצבים שנפגעו בעקבות קטיעה או פציעה

חוקרים מהפקולטה להנדסה ואוניברסיטת תל אביב יצרו חיישן שניתן להשתיל אותו בכל מקום בגוף, החיישן מתחבר לעצב אחר שמתפקד בצורה תקינה ומחזיר לעצב הפגוע חלק מתחושת המגע.

  • מחקר
  • הנדסה ביו-רפואית

טכנולוגיה חדשה ופורצת דרך של אוניברסיטת תל אביב מעוררת תקווה בקרב אנשים שאיבדו את תחושת המגע בעצבים של איברים שונים בעקבות קטיעה או פציעה. הטכנולוגיה שנוסתה על חיות מודל בהצלחה רבה כוללת חיישן זעיר שמושתל בעצב של האיבר הפגוע, למשל באצבע, והוא מחובר ישירות לעצב תקין ובכל פעם שהאיבר נוגע בחפץ אחר, החיישן מופעל ומעביר זרם חשמלי לעצב הבריא, פעולה אשר משחזרת את תחושת המגע. החוקרים מדגישים כי מדובר בטכנולוגיה "בריאה" שמותאמת לגוף האדם וניתן להשתיל אותה בכל מקום בגוף.

 

הטכנולוגיה פותחה בהובלת צוות מומחים מאוניברסיטת תל אביב: ד"ר בן מעוז, יפתח שלומי, שי דיולד וד"ר יעל ליכטמן-ברדוגו מהמחלקה להנדסה ביו-רפואית ובשיתוף קשת תדמור מבית הספר סגול למדעי המוח וד"ר עמיר ערמי מהפקולטה לרפואה ע"ש סאקלר ומהיחידה למיקרוכירורגיה במחלקה לכירורגיה של היד, המרכז הרפואי שיבא. המחקר התפרסם בכתב העת היוקרתי ACS NANO.

 

החוקרים מספרים כי הפרויקט הייחודי התחיל בפגישה בין שני חברים מאוניברסיטת תל אביב: ד"ר עמיר ערמי מהפקולטה לרפואה ומיחידת המיקרו-כירורגיה בשיבא וד"ר בן מעוז מהמחלקה להנדסה ביו-רפואית ובית ספר סגול למדעי המוח. "דיברנו על האתגרים בעבודות שלנו", מספר ד"ר מעוז, "וד"ר ערמי שיתף אותי בקושי שהוא חווה בטיפול באנשים שמאבדים את יכולת החישה באיבר זה או אחר כתוצאה מפציעה. צריך להבין שמדובר בקשת רחבה מאוד של פציעות, החל מפציעות קלות – לדוגמה, מישהו חותך סלט ונחתך מהסכין – ועד לפציעות קשות מאוד. גם אם ניתן לאחות את הפצע ולתפור את העצב הפגוע, במקרים רבים התחושה נותרת פגועה. החלטנו להתמודד יחד עם האתגר הזה, ולמצוא פתרון שיחזיר לפגועים את יכולת החישה".

 

יובהר כי בשנים האחרונות תחום הנוירו-תותבים מבטיח לשפר את חייהם של אלה שאיבדו את התחושה על ידי השתלת חיישנים במקום העצבים הפגועים. אלא שלטכנולוגיה הקיימת מספר חסרונות משמעותיים, כמו ייצור ושימוש מורכבים וכן צורך במקור כוח חיצוני כמו סוללה. כעת, חוקרים מאוניברסיטת תל אביב השתמשו בטכנולוגיה חדישה בשם ננו-גנרטור טריבו-אלקטרי (Nanogenerator triboelectric, או TENG) כדי להנדס ולבדוק על חיות מודל חיישן זעיר שמחזיר את התחושה באמצעות זרם חשמלי שמגיע ישירות מעצב בריא וללא צורך בהשתלה מורכבת או בהטענה.

במסגרת הפיתוח הטכנולוגי החוקרים יצרו חיישן שניתן להשתיל אותו על עצב פגום מתחת לקצה של האצבע, והוא מחזיר למושתל חלק מיכולת החישה באצבע. הפיתוח הייחודי אינו מצריך שימוש במקור מתח חיצוני כגון חשמל או סוללות. החוקרים מסבירים כי החיישן פועל למעשה על כוח החיכוך: בכל פעם שהמכשיר מרגיש חיכוך, הוא נטען לבד.

 

מדובר בשני לוחות זעירים בגודל של פחות מחצי ס"מ על חצי ס"מ. כשהלוחות האלה באים במגע אחד עם השני, הם משחררים מטען חשמלי שמועבר לעצב הבריא. באופן הזה, כשהאצבע הפגועה נוגעת במשהו, הנגיעה משחררת מתח בהתאם ללחץ שהופעל על המכשיר – מתח חלש למגע חלש ומתח חזק למגע חזק – ממש כמו חישה רגילה.

 

לטענת החוקרים ניתן להשתיל את המכשיר בכל מקום בגוף בו יש צורך בשחזור תחושה למגע, והוא עוקף למעשה את אברי החישה הפגועים. כמו כן, החומר שממנו עשוי המכשיר הוא ידידותי לגוף האדם, הוא לא דורש תחזוקה, ההשתלה פשוטה והמכשיר עצמו אינו נראה מבחוץ.

 

לדבריו של ד"ר מעוז, לאחר שבדקו את החיישן החדש במעבדה (יותר מחצי מיליון הקשות אצבע עם המכשיר), החוקרים השתילו אותו בכפות רגליהם של חיות מודל. החיות הלכו כרגיל, מבלי לחוות כל פגיעה בעצבים המוטוריים, ובבדיקות הוכח כי החיישן אפשר להן להגיב לגירויים סנסוריים. "בדקנו את הפיתוח שלנו על חיות מודל, והתוצאות היו מעודדות מאוד", מסכם ד"ר מעוז. "בשלב הבא נרצה לבחון את המשתל על מודלים גדולים יותר ובהמשך – להשתיל את החיישנים שלנו גם באצבעותיהם של בני אדם שאיבדו את יכולת החישה. היכולת הזו עשויה לשפר באופן משמעותי את התפקוד ואת איכות החיים, וחשוב מכך: להגן עלינו מפני סכנה. אנשים שלא יכולים להרגיש מגע גם לא יכולים להרגיש שהאצבע שלהם נמחצת, נשרפת או קופאת".

 

תמונה מהמחקר

מחקר

03.06.2021
חוקרים הצליחו להפוך ננו-חלקיק של גיר שקוף לזהב מלאכותי

חוקרים מאוניברסיטת תל אביב פיתחו טכנולוגיה חדשה היכולה להפוך את חלקיק השקוף לנוצץ ונראה לעין למרות ממדיו הקטנים. החוקרים טוענים שהפיתוח החדש יכול לשמש כבסיס לתרופות חדשניות בתחום הסרטן.

  • מחקר
  • הנדסת חשמל

פריצת דרך בתחום "חומרי העל": לראשונה בעולם, חוקרים מאוניברסיטת תל אביב הצליחו לפתח טכנולוגיה חדישה אשר מצליחה להפוך ננו-חלקיק של גיר שקוף לדמוי זהב מלאכותי נוצץ. כלומר להפוך את החלקיק השקוף לנוצץ ונראה לעין למרות ממדיו הקטנים. החוקרים טוענים שהפיתוח החדש יכול לשמש כבסיס לתרופות חדשניות בתחום הסרטן.

 

הטכנולוגיה החדשה פותחה ע"י פרופ' גינזבורג וד"ר נוסקוב מהפקולטה להנדסה באוניברסיטת תל-אביב ומספר מעבדות המובילות בעולם ובראשן: פרופ' גורין (SkolTech), ד"ר שירשין ( (MSU  ופרופ' פלמינג (USYD). המחקר  התפרסם בכתב העת המדעי היוקרתי Advanced materials.

 

בטבע נמצאים מגוון רחב של חומרים עם תכונות שונות. האתגרים החדשים הניצבים היום בפני האנושות בתחומים רבים ממריצים מדענים בכל העולם לפתח חומרים בעלי תכונות שאינם מצויים בטבע. חומרים מהונדסים אלה נקראים חומרי על או מטא-חומרים. הדוגמא אולי המפורסמת ביותר למטא-חומר הם גבישים עם מקדם שבירה שלילי שנחקרו רבות והדגימו ביצועי-על בהדמיה אופטית ומגוון רחב של יישומים אחרים.

 

אחד השימושים הנוספים בחומרי-על שהחוקרים מאוניברסיטת תל-אביב יחד עם עמיתיהם מאוניברסיטאות מובילות בעולם חשבו עליו הוא בתחום הרפואה ובתחום הטרונוסטיקה בפרט. מדובר בפיתוח מבנים זהירים (ננו-חלקיקים) חכמים והכנסתם אל תוך גוף האדם במטרה לבצע דיאגנוזה וריפוי בו זמנית במידת הצורך, למשל כאשר מדובר בתאים סרטניים. הרעיון של החוקרים היה להנדס מטא-חומר שיוכל בו זמנית לחדור לתאים חיים, להיות ביוקומפטבילי (תואם ביולוגית), לשאת תרופה וגם שיזוהה על-ידי מכשירי הדמיה. וזה בדיוק מה שהם עשו.

 

במסגרת המחקר, החוקרים פיתחו שיטה שבאמצעותה הם הפכו ננו-חלקיק של גיר פורוזיבי שאינו נקלט באמצעות מכשירי הדמיה למעין זהב מלאכותי נוצץ. בעזרת החדרת חלקיקי זהב שגודלם 3 ננומטר בלבד לתוך הגיר בשיטה חדשה החוקרים הצליחו להנדס רזוננס פלזמוני של המבנה כולו ובעצם לשנות את התכונות האופטיות שלו (3 ננומטר - פי 30 אלף דק יותר מעובי שערה ולפחות פי 100 קטן יותר ממה שאפשר לראות במיקרוסקופ אופטי רגיל) זאת, באמצעות ננו-טכנולוגיות ושיתוף פעולה עם מומחי מיקרוסקופיית אלקטרונים שהצליחו לראשונה להגיע להישג המרשים.

 

ד"ר רומן נוסקוב מסביר שמדובר בפריצת דרך שתאפשר בהמשך להוסיף פונקציות נוספות למטא-חומרים ויהיו לכך שימושים בתחומים רבים: "לפלטפורמה שהצלחנו להנדס ניתן להוסיף פונקציות נוספות כגון נראות למכשיר MRI, הזנת תרופות, ואף להפוך אותה לננו-לייזר או אבקה לוזרת שיש לה שימושים רבים מסמנים ביולוגיים עד לצביעת מוצרי נוי ביתיים. פרט לכך, הטכנולוגיה החדשה של הפיכת גיר לזהב מלאכותי תוכל להוזיל משמעותית את תהליך הייצור של פלטפורמות שונות הן לתרופות והן להתקנים אלקטרואופטיים".

 

"במהלך המחקר הצלחנו להוכיח כי ניתן לחמם את החלקיקים שפיתחנו בעזרת לייזר" מוסיף פרופ' פבל גינזבורג. "כיוון שיש לנו שליטה מלאה על תדר הרזוננס של החלקיק אנחנו יכולים לחממו באמצעות לייזר אינפרה-אדום חודר רקמות – וזה המפתח לתרמוטרפיה. למשל, עליית טמפרטורה של כמה מעלות בקרבת גידול סרטני יכולה להשמיד אותו, אם כי הדרך לשיטת הריפוי עוד ארוכה בגלל שחייבים לעשות סידרת ניסויי המשך עם תאים חיים".

 

לינק לכתבה ב ynet

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

דבי מרגוי

מחקר

25.05.2021
חומר פולימרי חכם בייצור כחול לבן שמנגנון הפריסה שלו נשלט מרחוק נשלח לחלל

סטודנטית לתואר שני במדע והנדסה של חומרים חוקרת פולימרים משני-צורה מבוססי אפוקסי ליישומים בסביבת חלל

  • מחקר
  • מדע והנדסה של חומרים

דבי מרגוי, לאחר סיום תואר ראשון בהנדסת פלסטיקה במכללת שנקר ומספר שנות עבודה בתעשייה, התקבלה כתלמידת מחקר למחלקת סביבת חלל במרכז למחקר גרעיני (ממ"ג) שורק. במקביל התקבלה כסטודנטית לתואר שני במדע והנדסה של חומרים באוניברסיטת תל אביב. נושא מחקרה עסק  ב- "פולימרים משני-צורה מבוססי אפוקסי ליישומים בסביבת חלל". פולימרים משני צורה הינם חומרים חכמים בעלי זיכרון צורני. ניתן לעוות אותם לצורה זמנית ולהחזירם לצורתם המקורית בעת חשיפה לתנאים מתאימים.

 

על הפיתוח

המחקר, שבוצע בהנחייתם של ד"ר רונן ורקר ממחלקת סביבת חלל מממ"ג שורק ופרופ' נעם אליעז מהמחלקה למדע והנדסה של חומרים באוניברסיטת תל אביב, התמקד בתכנון פורמולציה מבוססת אפוקסי עם הטמעה של גופי חימום בתוך המטריצה האפוקסית. "למעשה, תכננו צלעות חכמות שעשויות מאפוקסי ובתוכן מעין רשת סיבי פחמן שהיוו גופי חימום, דרכם ניתן להעביר זרם חשמלי וליצור חימום התנגדותי. חימום האפוקסי מאפשר את ריכוך הפולימר ואת היכולת לכופף אותו בזוויות רצויות וקיבועו בצורה חדשה זו לאחר שהוא מתקרר. החימום נשלט על ידי הזרם החשמלי המועבר בסיבי הפחמן. הצלעות הנ"ל יכולות להוות התקן מתקפל ונפרס לכל שימוש רצוי. לדוגמא, הוא יכול להוות התקן פריסה לצלעות אנטנה עתידית ללוויין" מסבירה דבי.

בסרטון (הקליקו): מבט צד על פריסה של האקטואטור. תחילה הוא נתון בצורתו המשנית בזמן אפס, בעת העברת מתח בגופי החימום הוא מתחיל להפרס. סימוכין: Margoy et al., Acta Astronautica 178 (2021) 908–919

 

עבודה על מערכות חומריות

במשך כשנה וחצי הם עבדו על שתי מערכות חומריות שכוללות את המטריצה האפוקסית - אחת כללה בתוכה גופי חימום מסוג פחמן והשנייה כללה גופי חימום מסוג ניקל-כרום. הצוות תכנן תבניות ועבד על הרכב הפורמולציה ועל סידור גופי החימום בתוך המטריצה הפולימרית, כשבכל סט חדש של כל מערכת חומרית נבדקה יכולת הפריסה והכפיפה. בתום תהליך הפיתוח של שתי המערכות נבחרה המערכת החומרית עם גופי החימום מסוג פחמן בשל ביצועים טובים יותר.

 

סביבת החלל, בדגש על מסלולים נמוכים (LEO), מאופיינת בהמצאות חמצן אטומי המהווה חומר קורוזיבי המאכל במהירות חומרים אורגניים לא מוגנים. "בשלב השני של המחקר התחלנו להוסיף תוספים משריינים, אשר גורמים להיווצרות שכבת תחמוצת סיליקון פסיבית על פני האקטואטור הננו-מרוכב בעת מגע עם חמצן אטומי. בהמשך, הוצעה שיטה לשליטה בזווית הפריסה של האקטואטורים בתנאים המדמים סביבת חלל על ידי מדידת שינויים בערכי ההתנגדות החשמלית שנוצרו בהם כתוצאה ממאמצים הפועלים על סיבי הפחמן בזוויות כפיפה שונות של האקטואטור. בנוסף, הצענו שיטה לשיפור היעילות האנרגטית של מנגנון פריסת האקטואטורים ע"י ציפוי האקטואטורים בשכבת אלומיניום בעובי ננומטרי, הגורמת לשיפור בשימור החום על ידי החזרים פנימיים של קרינה אינפרה אדומה" ממשיכה דבי להסביר.

 

התקן בעל יכולת תנועה

אקטואטור הינו התקן בעל יכולת תנועה. למעשה, בכל מערכת שבה נדרשת יכולת תנועה ניתן להכניס התקן כזה. ללוויינים יש אילוצי מסה ונפח. לכן, כל המנגנונים המאפשרים תנועה בלוויין צריכים כולם להיות קלי משקל, קטנים/מקופלים ומהימנים בתפקודם.

 

"כיום יש שתי קבוצות של מערכות נפרסות בחלל: המערכות הנפוצות הן מכאניות, בהן נקודות הקיפול מתבססות על מפרקים וצירים מתכתיים שנסגרים באמצעות קפיצים. מערכות אלה כבדות ומגושמות. קבוצה שניה ופחות מקובלת מבוססת על מערכות מתנפחות. מערכות אלה קלות משקל וקומפקטיות באחסון וקיפול, אך מהימנותן לא הוכחה במלואה. גישה נוספת, אותה חקרנו, מבוססת על פולימרים משני צורה המתאפיינים ביחס גבוה של חוזק למשקל, עלות נמוכה ומקדמי התפשטות תרמית נמוכים לעומת מתכות. היתרון במערכת החכמה שתוכננה היא, שניתן לשלוט בזוויות הפריסה תוך שימוש בהספק נמוך. מלבד פולימרים ישנם חומרים חכמים שעשויים ממתכות (לדוגמה, ליישור שיניים באמצעות תיילים אורטודונטיים או הכפיות המתכופפות של אורי גלר), מחומרים קרמיים. בשל היתרונות של הפולימרים לסביבת חלל, בחרנו להתמקד בהם" מוסיפה להסביר דבי.

 

הננו-לוויין של אוניברסיטת תל אביב שוגר לחלל מאתר שיגור בוירג'יניה בתאריך 20 בפברואר 2021. הוא שוקל פחות מ- 2.5 ק"ג ומידותיו 10×10×30 סנטימטרים. הננו-לווין משלים הקפה סביב כדור הארץ מדי 90 דקות. הוא נע כעת בגובה של כ- 400 ק"מ מעל כדור הארץ, במסלול המכונה Low Earth Orbit (LEO). החומר שפותח במסגרת עבודת המסטר נועד לעמוד בסביבת חלל זו.

 

"המערכת שפיתחנו היתה אחת מ- 5 ניסויים ב- TAU-SAT1. ביום חמישי, 8 באפריל, בשעה 19:00 (שעון ישראל) נשלחה מתחנת הבקרה שבפקולטה להנדסה פקודה לננו-לווין לפרוס את האקטואטור. הפריסה התחילה 6 דקות לאחר מתן הפקודה, כמתוכנן, לצורך חימום הדרגתי. האקטואטור שוגר כשהוא מכופף ב- 90 מעלות והתיישר במלואו בגמר הפריסה. חומרה ייעודית שהותקנה על הלווין היתה אחראית להעברת הזרם ולבקרה. גלאים אופטיים על הלווין זיהו את הפריסה" מספרת דבי.

 

פריצת דרך אמיתית

דבי מסבירה על פריצת הדרך האמיתית במחקר: "פריצת הדרך כאן היא, שזוהי הפעם הראשונה שמשוגר מישראל לוויין עם מנגנון פריסה מבוסס פולימר משנה צורה הנשלט מרחוק (קרי, מכדור הארץ). הוגשה בקשת פטנט משותפת לקבוצות בממ"ג שורק ובפקולטה להנדסה. מנגנון הפריסה שפותח יוכל לחסוך בעתיד את הצורך לשגר מתכות כבדות ולשמש לפריסת רכיבים שונים כגון אנטנות ולוחות סולאריים. המערכת שבנינו עשויה להשתלב בעתיד באנטנה של לווין, שתהיה בנויה מהרבה צלעות, כמו צלעות של מטריה (רק בלי הברגים והצירים!). הכוונה היא, כמובן, לבצע פריסה מחוץ ללוויין, ולא בתוך הלוויין כפי שביצענו כאן". 

 

"העובדה, שהאקטואטר שלנו הצליח להיפרס במלואו ובקצב המתוכנן, היא הישג אדיר וגאווה עצומה. זהו המשוב הטוב ביותר שיכולתי לאחל לו. כידוע, גדול המרחק בין הצלחה במעבדה על כדור הארץ להצלחה בזמן אמת בשרות בתנאי חלל. אני שמחה וגאה, שניתנה לי ההזדמנות לבצע מחקר פורץ דרך זה במסגרת המסטר שלי באוניברסיטת תל אביב וממ"ג שורק, בשיתוף פעולה בין-ארגוני, ובהנחיית רונן ונעם" מסכמת דבי.

 

לכתבה במגזין Ynet

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

מצפן

מחקר

02.05.2021
המצפן של האלקטרון

כיצד אפשר לחקות התנהגות של חומרים מגנטיים לא יציבים על ידי גלי אור המתקדמים בגבישים מהונדסים? מחקר חדש של קבוצת חוקרים מהפקולטה להנדסה ומהטכניון פותח אפשרויות חדשות להעברה ועיבוד של מידע אופטי, ובפרט ליישומים בתחום התקשורת והמחשוב הקוונטיים.

  • מחקר
  • הנדסת חשמל

על מנת להבין את האנלוגיה לחומרים מגנטיים ניזכר תחילה כיצד מחט המצפן יודעת להצביע על כיוון הצפון. הסיבה לכך היא שהמחט היא מגנט קטן, והשדה המגנטי של כדור הארץ מפעיל עליה כוח וגורם לה "להתיישר" כך שהחץ של המחט יצביע על הצפון.

 

תופעה דומה יכולה להתרחש כאשר אלקטרונים נעים בחומר מגנטי. בדומה למחט המצפן, גם האלקטרון מתנהג כמו מגנט קטן הנקרא ספין, ולכן אפשר לשלוט בתנועתו באמצעות שדה מגנטי. מחקרים שנעשו בשנים האחרונות גילו אפשרויות מעניינות לשליטה בזרם האלקטרונים באמצעות מצבים חדשים של חומרים מגנטיים, הקרויים "סקירמיונים", שבהם יש סידור מיוחד של השדה המגנטי בצורה המזכירה קיפוד ששוכב על הבטן – כל קוץ בגבו של הקיפוד מייצג את כיוון המגנט במקום מסוים במרחב. האתגרים המשמעותיים במחקר של חומרים אלה היא ביכולתנו לייצר את הקיפודים המגנטיים על צורותיהם השונות והמיוחדות. מסתבר שדווקא המבנים המגנטיים המעניינים יותר נוטים להיות לא יציבים, וכל הפרעה קטנה גורמת להם להתפרק ולאבד את צורתם.

 

פריצת דרך חדשה בנושא זה הושגה במחקר בהובלת הדוקטורנט אביב קרניאלי ומנחה הדוקטורט שלו, פרופ' עדי אריה, מבית הספר להנדסת חשמל בפקולטה להנדסה באוניברסיטת תל אביב. במחקר, שנערך עם פרופ' גיא ברטל והדוקטורנט שי צסס מהפקולטה להנדסת חשמל ע"ש ויטרבי בטכניון, מתוארת דרך שבה אפשר לגרום לקרני אור להתנהג כמו אלקטרונים עם ספין ולגרום לחומרים עם תגובה אופטית להתנהג כמו חומרים מגנטיים. "מכיוון שקל הרבה יותר להנדס אור וחומרים אופטיים, אפשר יהיה לחקור באמצעותם את התכונות של החומרים המגנטיים," אומר פרופ' אריה. "ב-30 השנים האחרונות הצטבר ידע עצום בתכנון של התקנים וטכנולוגיות בתחום המידע המגנטי, ועכשיו אפשר יהיה לקחת את הידע הזה ולייצר באמצעותו התקנים אופטיים."

בתמונה: הדוקטורנט אביב קרניאלי 

 

במאמר בחרו החוקרים לתת דוגמה להתקן עתידי שכזה, המבוסס על "אפקט הול הטופולוגי" – אפקט קוונטי המתרחש כאשר חלקיק ספין חולף ליד אותם "קיפודים מגנטיים". "אפשר לחשוב על האפקט הזה כמו 'בעיטת בננה' בכדורגל," מסביר אביב קרניאלי. "חלקיק שנע ליד סקירמיון מגנטי מעקל את מסלולו כתלות בכיוון הספין שלו, שזה דבר מאוד יעיל אם רוצים להחליט לאן עובר זרם – כמו מתג. בחומרים מגנטיים אמיתיים לא יודעים איך לשלוט באפקט הזה, אלא רק לראות שהוא קיים, ואנחנו מראים איך באמצעות האור אפשר לחקות את אפקט הול הטופולוגי כדי לחקור אותו, אבל גם כדי להשתמש בו למתגים מהירים".

 

התגליות הללו צפויות לפרוץ דרך לא רק בהבנתנו את החומרים המגנטיים, אלא גם לתת השראה להתקנים אופטיים חדשים השולטים באור, בדומה לדרך בה חומרים מגנטיים שולטים בזרמים מגנטיים. לדוגמה, החוקרים מעריכים כי המחקר עשוי להוביל לפיתוח טכנולוגיות חדשות להעברה ועיבוד של מידע אופטי. נוסף על כך, היכולות הקיימות כיום לשליטה בחלקיקי אור בודדים – פוטונים – יחד עם הרעיונות החדשים לעיבוד המידע המבוססים על הקיפודים המגנטיים, צפויים לפתוח דלתות וכיווני מחשבה נוספים לעיבוד אינפורמציה קוונטית באמצעות אלומות אור. 

 

פרופ' אריה מוסיף שההתקנים שאפשר לייצר אינם מוגבלים רק לדברים פשוטים כמו מתגים. "אחד הכיוונים המבטיחים ביותר בטכנולוגיות קוונטיות הוא השימוש בחלקיקים בודדים של אור, או בשמם המדעי פוטונים, לייצוג מידע. ההתקנים שאנחנו מציעים לא יעבדו רק עבור קרני אור רגילות, אלא גם עבור פוטונים בודדים, ובאותה היעילות. מאחר שכיום, פוטונים בודדים הם בחזית הפיתוח של תקשורת קוונטית ומחשבים קוונטיים, יכול להיות שהתגלית שלנו תאפשר דרכים חדשות ויעילות יותר להעביר ולעבד מידע קוונטי בצורה אופטית."

 

המחקר נתמך ע"י הקרן הלאומית למדע. אביב קרניאלי ושי צסס הם זוכי מלגת אדמס של האקדמיה הלאומית למדעים. 

 

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

זרימות שונות מחוץ לתנאי המעבדה

מחקר

02.05.2021
כיצד ניתן לגשר על הפערים בין טורבולנציה במעבדה ומחוצה לה?

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.

  • 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.

מנהרת הרוח הסביבתית במכון הביולוגי

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 rapidsזהו כבוד גדול לאחד מהבוגרים המוצלחים שלנו בתחום מחקר מאד משמעותי לאיכות חיינו ולשינוי האקלים" מסכם בגאווה פרופ' ליברזון. 

 

קישורים למאמרים

 

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

בתמונה: פרופ' מוטי גרליץ, ד"ר דן ימין ופרופ' אריאל מוניץ

מחקר

27.04.2021
חוקרים מהנדסה בשיתוף עם חוקרים מהפקולטה לרפואה הראו כי הווריאנט הבריטי מדבק ב-

המחקר הסתמך על נתונים מכ-300,000 בדיקות קורונה

  • מחקר
  • הנדסת תעשייה

מחקר חדש של אוניברסיטת תל אביב מגלה כי הווריאנט הבריטי מדבק ב-45% יותר מהנגיף המקורי. החוקרים הסתמכו על נתונים שהתקבלו מכ-300,000 בדיקות קורונה שבוצעו במעבדה לניתוח בדיקות PCR, שהוקמה בקמפוס בשיתוף קבוצת אלקטרה.

 

את המחקר החדש ערכו פרופ' אריאל מוניץ ופרופ' מוטי גרליץ מהמחלקה למיקרוביולוגיה ואימונולוגיה בפקולטה לרפואה ע"ש סאקלר יחד עם ד"ר דן ימין והדוקטורנט מתן יחזקאל מהמעבדה לחקר התפשטות מגפות במחלקה להנדסת תעשייה באוניברסיטת תל אביב. תוצאות המחקר התפרסמו בכתב העת החשוב Cell Reports Medicine.

 

מעבדת Electra-TAU נפתחה במרץ 2020, מיד עם פרוץ הגל הראשון של המגפה בישראל, ועד כה, ערכה מאות אלפי בדיקות שנאספו מכל רחבי הארץ. הבדיקות הגיעו לאוניברסיטת תל אביב ממתחמי "היבדק וסע" (דרייב-אין) שנפתחו לאוכלוסייה הכללית, וכן מתוכניות ייעודיות כגון מבצע "מגן אבות ואימהות" לבדיקות קורונה שגרתיות בקרב אוכלוסיות בסיכון, כמו בתי אבות.

 

פרופ' אריאל מוניץ מסביר: "אנחנו משתמשים בערכה שבודקת שלושה גנים ויראליים. בווריאנט הבריטי, הידוע גם בשם B.1.1.7, אחד משלושת הגנים הללו, גן ה-S, נמחק כתוצאה מהמוטציה. באופן הזה יכולנו לעקוב אחר התפשטות הווריאנט באוכלוסייה גם מבלי לערוך ריצוף גנטי". לדבריו מהנתונים שהתקבלו במעבדה עולה כי ההתפשטות של הווריאנט הבריטי הייתה מהירה ביותר: ב-24 בדצמבר 2020 רק 5% ממקרי ההדבקה המאומתים בקורונה היו של הווריאנט הבריטי. בתוך שישה שבועות, בינואר 2021, הווריאנט הזה היה אחראי ל-90% מהדבקות הקורונה בישראל. היום הנתונים מצביעים על 99.5%. "על מנת להסביר את העלייה הדרמטית, ערכנו השוואה בין מקדם ה-R של וירוס ה- SARS-CoV-2למקדם ה-R של הווריאנט הבריטי. כלומר שאלנו את עצמנו: כמה אנשים בממוצע מדביק כל אדם שנדבק בווריאנטים השונים? ומצאנו כי הווריאנט הבריטי מדבק ב-45% יותר – כמעט פי 1.5".

 

בשלב השני, החוקרים פילחו את ההדבקה לפי קבוצות גיל. התוצאות הראו שנקודת שינוי המגמה בתחלואה אצל אוכלוסייה מעל גיל 60 בהשוואה ליתר קבוצות הגיל התרחשה לאחר שבועיים מקבלת החיסון הראשון בקרב 50% מבני ה-60 ומעלה בישראל. "עד חודש ינואר ראינו תלות ליניארית של כמעט 100% בין קבוצות הגיל השונות בתחלואה חדשה לאלף איש", מספר ד"ר דן ימין. "שבועיים אחרי ש-50% מבני ה-60 ומעלה קיבלו את מנת החיסון הראשונה, המגמה נשברה באופן חד ומובהק. במהלך ינואר חלה ירידה דרמטית במספר המאומתים בני ה-60 ומעלה, לצד המשך עלייה במספר המאומתים של יתר האוכלוסייה. במילים פשוטות, מכיוון שמעל ל-90% מנפטרי הקורונה הינם מעל גיל 60, ניתן לומר שהחיסון חסך תמותה של מאות אנשים – אפילו בטווח הקצר".

 

יתרה מכך, המחקר החדש מוכיח כי ניטור אקטיבי באוכלוסיות בסיכון עובד. "יש ערך סף שלפיו מחליטים אם בדיקה היא חיובית או שלילית", אומר פרופ' מוניץ. "ככל שהערך הזה נמוך יותר, הדבר מעיד על עומס נגיפי גבוה יותר. כאשר השווינו את ערכי הסף של הגנים השונים בקרב אוכלוסיות בני ה-60 ומעלה מבתי האבות אל מול הערכים המתקבלים מבני ה-60 ומעלה באוכלוסייה הכללית, ראינו שערכי הסף בבדיקות שנדגמו מבתי האבות היו גבוהים יותר באופן משמעותי. פירושו של דבר שהעומס הנגיפי היה נמוך יותר בבתי אבות בהשוואה לשאר האוכלוסייה.

 

מאחר שבבתי אבות מבצעים בדיקות שגרתיות, לעומת בדיקות באוכלוסייה הכללית שנערכות לרוב כאשר מישהו לא מרגיש טוב או בא במגע עם חולה מאומת, אנחנו מסיקים שניטור מתמיד של אוכלוסייה בסיכון – עובד. חשוב להדגיש: העומס הנגיפי הנמוך יחסית בבתי האבות נצפה למרות שהווריאנט הבריטי החל להתפשט בתקופה ההיא בכלל האוכלוסיות. לפיכך, אנחנו מראים שניטור של בתי אבות, יחד עם מבצע חיסון המתמקד באוכלוסיות פגיעות תחילה, חוסך תחלואה ותמותה".

 

ד"ר ימין מסכם: "בגלל הצפיפות, משקי הבית הגדולים והתפלגות הגילאים באוכלוסייה בישראל, לקורונה תנאים נוחים יותר להתפשט אצלנו מאשר במרבית מדינות המערב. הבשורה שלנו לעולם היא שאם בתנאי הפתיחה הקשים שלנו זוהתה המגמה, בשאר מדינות המערב בוודאי ניתן לצפות לשבירת העקומה ולירידה דרמטית בתחלואה הקשה ובתמותה כבר לאחר חיסון של 50% מהאוכלוסייה המבוגרת, לצד קיום בדיקות ייעודיות במרכזי הסיכון – וזאת למרות שהווריאנט הבריטי מדבק כל כך".

 

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

לראות ולא להאמין

מחקר

16.03.2021
לראות ולא להאמין

האם טכנולוגית הדיפ פייק​ הגיעה למצב שאנחנו כבר לא יכולים לסמוך על מה שאנחנו רואים והאם זה תמיד רע?

  • מחקר
  • הנדסת תעשייה

פרופ' עירד בן גל, מהמחלקה להנדסת תעשייה וראש המעבדה ליישומי בינה מלאכותית ולמידת מכונה, התראיין לאחרונה לכתבה בוואלה חדשות העוסקת בסיכוני ה"דיפ-פייק" בזמן בחירות. בכתבה הוא מסביר מדוע הטכנולוגיה הזו יכולה ביישומים מסוימים להיות לגיטימית וחיובית בתנאי שתופעל כראוי. בין היתר הוא מספר על שימוש במודלים של רשתות עמוקות המאפשרים ליצור הדמיה מדויקת של המציאות ביישומים כגון ערים חכמות, שיתוף דעות חדשות ברשת ואפילו במודלים אפידמיולוגים של הדבקה. העבודות המוזכרות נעשות בשיתוף עם חוקרים אחרים מהמחלקה להנדסת תעשייה: ד"ר ערן טוך, ד"ר ארז שמואלי וד"ר דן ימין.

 

דיפ פייק

בחודשים האחרונים נחשפנו בעולם הדיגיטלי לטכנולוגית הדיפ פייק. טכנולוגיה המבוססת על בינה מלאכותית ומאפשרת בין היתר "השתלת" פנים של אדם אחד, על סרט וידאו של אדם אחר. הזיוף נראה אמין, לא פחות מהמציאות. החשש הגדול מטכנולוגיה זו הוא שבידיים הלא נכונות היא יכולה להוות סכנה ממשית לפרטיות שלנו בין אם זו גניבת זהות, הונאות כספיות וחברתיות, פייק ניוז ועד פגיעה ממשית בתהליכים דמוקרטיים כפי שנראו בבחירות לנשיאות בארה"ב ב-2016.

 

הדרך היעילה להפיץ באינטרנט דעה חדשה או מוצר

במחקר משותף שהתפרסם במגזין Europhysics Letters ונערך בזמנו  עם ד"ר אלון סלע (בזמן שהיה דוקטורנט במחלקה להנדסת תעשייה), פרופ' שלמה הבלין וד"ר לואיס שכטמן נעשתה השוואה בין מודלים להפצת מידע הנקראים "Word of Mouth (WOM)" שמייצגים הפצה ברשת חברתית לבין מודלים של הפצת מידע באמצאות מנועי חיפוש שנקראים WEB. החוקרים בדקו מהי הדרך היעילה להפיץ באינטרנט דעה חדשה או מוצר חדש שעדיין לא נפוצים.

 

הממצאים במחקר, כמו במחקרי המשך יחד עם ד"ר ארז שמואלי - מומחה לרשתות חברתיות, הראו כי הדרך היעילה ביותר להפצת מידע חדש היא לוודא שבזמן קצר מרגע שאדם נחשף לדעה הזו, הקרובים אליו ברשת החברתית שהם ברובם אנשים רגילים ולא דמויות מוכרות כמו סלבריטאים יגיבו ויהדהדו את המסר החדש וחוזר חלילה תוך חיזוק המגמה של פיעפוע המידע באופן מקומי ברשת. זו אגב במידה רבה הטקטיקה שנקטה חברת קימברידג' אנליטיקס בבחירות הראשונות של טראמפ על בסיס נתוני פייסבוק. 

 

"עכשיו אפשר לתאר מצב שבו שניתן לייצר דיפ-פייק בכמויות מסחריות עצומות לא רק של פוליטיקאים אלא של אנשים רגילים - אלו שקשורים אישית לכל אחד ואחת מאתנו - וכך להשפיע על הקרובים להם ברשת. הפעלה כזו בימים אחרונים לבחירות יכולה לשנות תוצאות באופן קיצוני וגם אם ההונאה תתגלה בסופו של יום – זה יהיה מאוחר מידי" אומר פרופ' בן גל "מצד שני מחקרים הראו שגיוון של דעות – כולל דעות חדשות ולא נפוצות – הוא חיוני ומעשיר. שימוש בטכנולוגיה כזו – תחת הנחה שהיא אמינה ולגיטימית תאפשר להעשיר את גוף הידע האנושי בדעות שונות ומגוונות".

 

הדמיה מדויקת של המציאות

בנוסף למחקרים בהם השוו, פרופ' בן גל ושותפיו, מודלים להפצת מידע, הוא גם חוקר יחד עם ד"ר ערן טוך - מומחה בתחום עיבוד נתונים ופרטיות - והסטודנטית מאיה ארדיטי מודלים של רשתות עמוקות המאפשרים ליצור הדמיה מדויקת של תנועת אנשים בערים בהתבסס על נתוני תנועה סלולרית. "זה מחקר שבו מצד אחד ניתן לייצר סימולציית תנועה מדויקת מרמת בן אדם בודד שנע בתוך עיר ומצד שני, משיקולי פרטיות הוא אינו חושף את הנתונים של אנשים אמיתיים ומסכן את פרטיותם" מסביר פרופ' בן גל. "סוג כזה של יצור נתונים על ידי מודלים כגון רשתות עמוקות מסוג LSTM (Long Short Term Memory) ורשתות עמוקות מסוג  (Generative Adversarial Networks)GAN בהן שתי רשתות מתחרות ולומדות האחת מהשנייה - האחת מייצרת נתונים באופן סימולטיבי והשנייה מאשרת או פוסלת אותם  - מאד רלוונטי לדוגמה ליישומי תחבורה  חכמה ויישומי ערים חכמות. אפילו למודלים אפידמיולוגים שמשמשים לניתוח וחיזוי נתוני הדבקה, בהן נעשה שימוש בנתוני תנועה בזמן התפרצות מגפה", למשל במחקרים משותפים עם ד"ר דן ימין שהינו מומחה למודלים של מחלות מדבקות.

 

משלבים באופן לגיטימי בין העולם הפיזי לעולם הדיגיטלי

בפרויקט ","Digital Living 2030 המשותף לפקולטה להנדסה ולאוניברסיטת סטנפורד בראשו עומדים פרופ' בן גל ופרופ' במבוס, עוסק בהסתכלות על החיים של כולנו בעוד 10-15 שנים, מתוך מחשבה שלפני 10-15 שנים החיים היו שונים לחלוטין מאלו שאנו חווים כיום. Digital Living 2030 עוסק בעיקר בחיבור שבין העולם הדיגיטלי לעולם הפיזי שהופך במידה רבה משולב יותר ויותר שמנתחים מגמות על החיים העתידיים שלנו. חלק מהמגמות האלה נחזו כבר בשנה האחרונה של התפרצות מגפת הקורונה.

 

פרופ' בן גל מסביר שיישום אפשרי אחד לטכנולוגיית הדיפ-פייק כאשר חושבים על שילוב הולם בין העולם הפיזי לעולם הדיגיטלי הוא ייצור אווטר (דמות דיגיטלית) שיכולה לייצג אדם במרחב הדיגיטלי באופן יחסית מדויק ליישותו הפיזי – אבל הפעם למטרה חיובית – על מנת ולייצג את אותו אדם בעבודות לגיטימיות – "תחשבו על רדיולוג מומחה שהדמות הדיגיטלית שלו למדה מכל נתוני העבר מה פיענוחי ההדמיות הרפואיות שהוא ביצע ולכן תוכל לעבוד בעולם הדיגיטלי במקומו בזמן שהדמות הפיזית שלו אינה פנויה. בדיוק כמו שתוכנה יכולה לפעול גם בזמן שהאלגוריתמים שייצרו אותה הלכו לישון".

 

נקודה למחשבה

פרופ' עירד בן גל"לאחרונה הדיפ-פייק נעשה יותר ויותר נגיש וזמין למשתמש הפרטי. אני חושב שכל מי שנחשף לפייק ניוז באינטרנט - כולל פעולות מאסיביות של בוטים ברשתות חברתיות כגון טוויטר צריך להיות מאד מודאג מהאופן בו טכנולוגיות חדשניות כגון דיפ פייק יכולות להשפיע באופן משמעותי על דעת קהל. ככל שהטכנולוגיות האלה מתקדמות הן מייצרות מצב לא מאוזן בו מי שייטיב לשלוט בהן יוכל להטות את דעת הקהל לטובתו וזו סכנה מוחשית לדמוקרטיה. הטכנולוגיה עדיין לא מאד נפוצה אבל היא תהיה מאד מסוכנת ברגע שתהפוך נגישה ותאפשר לייצר בקלות הדמיה אמינה שקשה להפריד בינה ובין המציאות" מסביר פרופ' בן גל "מצד שני כל אותן דוגמאות במחקרים שציינתי הן דוגמאות חיוביות ולגיטימיות לטכנולוגיה שכזו – למעשה מאז שהאדם הקדמון למד כיצד להבעיר אש – הטכנולוגיה קיימת והשימוש בה, לטוב ולרע, מצוי בידי בני האדם שמפעילים אותה".

 

 

 

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

 

 

 

 

האוזן של החגב בתוך הצ'יפ

מחקר

16.03.2021
לראשונה בעולם: רובוט הצליח "לשמוע" באמצעות אוזן של בעל חיים

ד"ר בן מעוז מהנדסה ביו-רפואית בשיתוף חוקרים ומומחים מאוניברסיטת תל אביב חיברו אוזן אמיתית של חגב – לרובוט

  • מחקר
  • הנדסה ביו-רפואית

פיתוח טכנולוגי וביולוגי של אוניברסיטת תל אביב, חסר תקדים בארץ ובעולם, מאפשר לראשונה לחבר אוזן של בעל חיים מת (חגב) לרובוט שקולט את האותות החשמליים של האוזן ומגיב בהתאם. התוצאה מיוחדת במינה: החוקרים מוחאים מחיאת כף אחת, האוזן של החגב שומעת את הצליל והרובוט נוסע קדימה. החוקרים מוחאים שתי מחיאות כף, האוזן שומעת – והרובוט נוסע אחורה".

 

המחקר האינטרדיסציפלינרי נערך בהובלת ד"ר בן מעוז מהמחלקה להנדסה ביו-רפואית ובית הספר סגול למדעי המוח, בשיתוף צוות מומחים מבית הספר לזואולוגיה ובית הספר סגול למדעי המוח: פרופ' יוסי יובל, פרופ' אמיר אילי, ד"ר אנטון שיינין, עידן פישל, יוני עמית, נטע שביל. תוצאות המחקר התפרסמו בכתב העת היוקרתי Sensors.

 

החוקרים מסבירים שבתחילת המחקר הם ביקשו לבחון כיצד ניתן לשלב את היתרונות של המערכות הביולוגיות גם במערכות הטכנולוגיות, ואיך אפשר להשתמש בחושים של בעלי חיים מתים כחיישנים לרובוט. "בחרנו בחוש השמיעה, כי אפשר להשוות אותו בקלות לטכנולוגיות קיימות – בניגוד לריח למשל ששם האתגר גדול עוד יותר", מדגיש ד"ר מעוז. "האתגר שלנו היה להחליף את המיקרופון אלקטרוני של הרובוט באוזן של חרק מת, לנצל את היכולת של האוזן לקלוט את האותות החשמליים מהסביבה, במקרה הזה את הוויברציות באוויר, ובאמצעות שבב מיוחד להמיר את קלט החרק לקלט של רובוט".

 

לצורך המשימה הייחודית והלא שגרתית, בשלב הראשון החוקרים במעבדה של ד"ר מעוז בנו רובוט שמסוגל להגיב לאותות שהוא מקבל מהסביבה. לאחר מכן, בשיתוף פעולה רב תחומי החוקרים הצליחו לבודד ולאפיין את האוזן של חגב מת, להצליח להחזיק אותה בחיים, כלומר מתפקדת, מספיק זמן כדי ניתן לחבר אותה בהצלחה לרובוט. בשלב האחרון החוקרים הצליחו למצוא דרך לקלוט את האותות שנקלטים באוזן החגב בדרך שתהיה שימושית גם לרובוט. בסוף התהליך, הרובוט הצליח 'לשמוע' את הצלילים ולהגיב בהתאם.

בתמונה: הרובוט עם הצ'יפ

 

"מעבדתו של פרופ' אילי בעלת ניסיון רב בעבודה עם חגבים, והם פיתחו מיומנויות לבודד את האוזן ולאפיין אותה", מסביר ד"ר מעוז. "מעבדתו של פרופ' יובל בנתה את הרובוט ופיתחה קוד המאפשר לרובוט להגיב לאותות חשמליים של קול. ואילו המעבדה שלי פיתחה מכשיר מיוחד – אוזן-על-שבב – שמאפשר לשמור את האוזן חיה זמן לאורך הניסוי באמצעות אספקה של חמצן ומזון לאיבר, ובמקביל מאפשר להוציא את הסיגנלים החשמליים מאוזן החגב, להגביר ולהעביר אותם לרובוט".

 

ככלל, למערכות ביולוגיות יתרון עצום על מערכות טכנולוגיות – הן מבחינת הרגישות והן מבחינת תצרוכת האנרגיה. לכן הפרויקט של חוקרי אוניברסיטת תל אביב פותח פתח לשילובים חושיים בין רובוטים לחרקים – ועשוי לייתר פיתוחים מסורבלים ויקרים בהרבה בתחום הרובוטיקה.

 

"צריך להבין שמערכות ביולוגיות מוציאות אנרגיה זניחה ביחס למערכות אלקטרוניות. הן ממוזערות, ולכן גם חסכוניות ויעילות, בצורה קיצונית. לשם השוואה, מחשב נייד צורך כ-100 וואט לשעה, ואילו המוח האנושי צורך כ-20 וואט ביממה. הטבע מתקדם מאיתנו בהרבה, לכן כדאי להשתמש בו. ניתן להשתמש בעיקרון שהצגנו, וליישם אותו על חושים אחרים, כמו ריח, ראייה ומישוש. לדוגמה, לבעלי חיים מסוימים יש יכולות מדהימות לזיהוי של חומרי נפץ וסמים, וייצור של רובוט עם אף ביולוגי יוכל לעזור לנו לשמור על חיי אדם ולזהות עבריינים באופן שלא ניתן כיום. יש בעלי חיים שיודעים לזהות מחלות ואחרים שיודעים לחוש רעידות אדמה. השמיים הם הגבול".

 

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

אוניברסיטת תל אביב עושה כל מאמץ לכבד זכויות יוצרים. אם בבעלותך זכויות יוצרים בתכנים שנמצאים פה ו/או השימוש שנעשה בתכנים אלה לדעתך מפר זכויות, נא לפנות בהקדם לכתובת שכאן >>
אוניברסיטת תל-אביב, ת.ד. 39040, תל-אביב 6997801
UI/UX Basch_Interactive