מחקרים

RESEARCH

מה מעניין אותך?

כל הנושאים
מאסטר-טראק
מחקר
אקדמיה ותעשייה
בוגרים ובוגרות
הנדסת חשמל
הנדסת סביבה
הנדסת מערכות
הנדסת תעשייה
הנדסה מכנית
הנדסה ביו-רפואית
הנדסה ורוח
מדע והנדסה של חומרים
מדעים דיגיטליים להיי-טק
מכון שלמה שמלצר לתחבורה חכמה
תוכנית המצטיינים
פרסים
זכיות
דרוגים
מימין לשמאל: ד"ר לאה ביילקין-סירוטה, ד"ר סייאן ג'נה, אור לאסרי

מחקר

06.07.2022
מנהור של גלי קול

הדמיית מנהור קוונטי באמצעות גלים אקוסטיים

  • מחקר
  • הנדסה מכנית

מחקר חדש של המעבדה לבקרה אקטיבית של גלים בפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן, מוכיח לראשונה שהתופעה הקוונטית "מנהור קליין" Klein tunneling, המתארת מעבר פרדוקסאלי של חלקיק דרך מחסום פוטנציאל, ניתנת להקבלה מדויקת במערכת קלאסית, דוגמת התפשטות גלי קול.

מנהור הינו יכולת חריגה ולא-אינטואיטיבית של חלקיקים/גלים לחצות פערים, מחסומים או ממשקים, למרות שהמעבר הזה אסור במובן מסוים משיקולים דינאמיים או אנרגטיים. מימוש אנאלוגיה קלאסית של תכונה זו מציע יכולות חדשות ומעניינות בהנחיית גלים במערכות אלקטרומגנטיות, אקוסטיות, אלסטיות ועוד. המחקר נערך בהובלת ד"ר לאה ביילקין-סירוטה מביה"ס להנדסת מכנית, ופורסם לאחרונה בכתב העת Physical Review Applied.

 

הדמיית תופעות קוונטיות במערכות קלאסיות – האם זה אפשרי?

לתופעות של מכניקה קוונטית חוקים משלהן, שונים מאלו המוכרים לנו במערכות קלאסיות, כגון גלי קול. אך האם נוכל בכל זאת "לראות" או "לשמוע" תופעה קוונטית? מסתבר שלפעמים זה אפשרי, הודות להקבלה שקיימת בין מבנה פסים האלקטרוני של החומר לבין פיזור תדרים (דיספרסיה) אקוסטיים למשל. דוגמא בולטת הינה חיקוי אקוסטי של תופעות קוונטיות טופולוגיות, מה שמאפשר התפשטות של גלי קול צרים דמויי אלומה שיכולים להיות גם חד-כיווניים, וכן חסינות מלאה מפני החזרה מפינות, כיפופים ופגמים מבניים שונים. בעבודה זו ניסינו להבין האם באופן דומה קיימת אנאלוגיה מדויקת לתופעת המנהור הקוונטי.

 

מהו מנהור קליין?

הסיפור מתחיל מפרדוקס קליין, שהתגלה על ידי הפיזיקאי הנודע אוסקר קליין לפני כמאה שנה. זוהי תופעה קוונטית המנבאת העברה מושלמת של חלקיקים יחסותיים (הנעים במהירות האור) דרך מחסום אנרגיה שהינו גבוה מהאנרגיה של החלקיקים. הפרדוקס הוא בכך שהחלקיקים יכולים לעבור ללא הפרעה דרך המחסום ללא תלות בגובהו ורוחבו. עם השנים נמצא הסבר לפרדוקס, והתופעה הפכה לתרגיל סטנדרטי בספרי הלימוד. אולם, הפרדוקס חזר למוקד העניינים לפני כ15 שנה, כאשר הפיזיקאים הנודעים אנדרה גיים, קונסטנטין נובוסיולוב ומיכאיל קצנלסון הראו כי באופן מפתיע, תופעה דומה הנקראת מנהור קליין נתמכת במעבר אלקטרונים בגרפן (שכבה בודדה של סריג פחמן) בין שני אזורים הנבדלים זה מזה בפוטנציאל אלקטרוסטטי. עיקרון המנהור בגרפן מתבסס על המבנה הדו-רכיבי המצומד של פונקציות הגל שלו. מבנה זה הוא שמאפשר את מעבר האלקטרון לאזור הפוטנציאל הגבוה במעבר מושלם ללא החזרה בפגיעה ניצבת והחזרה חלקית בפגיעה בזווית.

 

הכוונת גלי קול על פי חוקי מנהור קליין

בעבודה שלנו הראינו שהתפשטות גלים הדומה למנהור קליין יכולה להתרחש במערכות קלאסיות, ולמרבה הפלא, גם מבלי להסתמך על חיקוי המבנה של פונקציית הגל של גרפן והדיספרסיה הנלווית לו. במקום זאת, הצענו מנגנון שדורש צורה מסוימת של פרמטרים המגדירים את התווך (במקרה האקוסטי אלו הם צפיפות המסה ומודול הנפח), כך שבתחום התדרים בו מתרחשת הדמיית המנהור הפרמטרים מקבלים ערכים שליליים. למעשה, האנלוגיה של הפוטנציאל מתקבלת כגבול בין תווך 'חיובי' לתווך 'שלילי'. תווך כזה אינו קיים בחומרים בטבע, אך ניתן לקבלו באופן אפקטיבי באמצעות חומרים מהונדסים (מטא-חומרים). תווך כזה פופולארי מאוד במחקר של מטא-חומרים, שכן הוא מאפשר תכונות חומר לא קונבנצוינאליות, כגון מקדם שבירה שלילי, ועוד. למעשה, הראינו לראשונה קשר ישיר בין מושג התווך השלילי לאנאלוגיה קלאסית של תופעת מנהור קליין, וקיבלנו תכונות העברה זהות לתכונות הקוונטיות. תוצאה זו המחשנו באמצעות מנהור דו-מימדי של גלי קול במטא-חומר אקוסטי הבנוי מתבנית מחזורית של ממברנות וצינוריות המתפקדות כמתנדים. בנוסף, הראינו כי על ידי הכלה של חוסר איזוטרופיה (כיווניות בתכונות) במטא-חומר ניתן לקבל העברה מושלמת לכל זווית פגיעה, תוך שמירה על רוב תכונות המנהור המקוריות. קראנו לתופעה החדשה "מנהור כלל כיווני".

 

אנלוגיה אקוסטית של מנהור קליין.

משמאל לימין: חלקיק חוצה מחסום פוטנציאל, מנהור קליין בגרפן, מטא-חומר אקוסטי המדמה אנלוגיה קלאסית של האפקט, תגובה דינמית של שדה לחץ אקוסטי במטא-חומר, פרופיל דיספרסיה של התווך האפקטיבי במטא-חומר.

 

 

קצת עלינו 

בקבוצה שלנו אנו חוקרים כיצד ניתן לקבל תווך עם תכונות רצויות של התפשטות גלים המוכתבות על ידי המשתמש ומתאימות את עצמן לשינויים בזמן אמת בסביבת הפעולה, כגון שינוי בתדר הגל המתקדם, שינוי באימפדנס, שינוי בתנאי השפה, וכ"ו. לצורך כך, על פי רוב אנו מתכננים מטא-חומרים מכאניים/אקוסטיים מבוססי בקרה, בהם כוחות חיצוניים מופעלים על מבנה בסיסי פשוט (באמצעות הטמעת מתמרים אלקטרוניים) בהתאם לפלט של בקרים מתוכנתים שמבוססים על מדידות של תגובת המבנה. פעולה זו מאפשרת לתקן את תגובת המבנה בזמן אמת ולהתאים אותה לסביבה המשתנה. היישומים שלנו הם הנחיית גלים בהשראת תופעות מפיזיקה קוונטית, הסוואת חתימה אקוסטית, הדמיית סביבה אקוסטית מדומה, ועוד. אנו מזמינים סטודנטים מצטיינים לעבוד יחד איתנו ולחקור את העולם המרתק של בקרת התפשטות גלים.

 

לפרטים נוספים בקרו באתר המעבדה

 

 פרופ' קובי שויער ופרופ' פבל גינזבורג

מחקר

26.04.2022
טכנולוגיה חדישה לביטול החזרת גלי אור ממשטחים

בהובלת חוקרים מהנדסת חשמל ובשיתוף עם ד"ר דמיטרי פילונוב מהמכון לפיזיקה וטכנולוגיה במוסקבה

  • מחקר
  • הנדסת חשמל

 

מחקר חדש בהובלת חוקרים מהפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן מציע שיטה חדשנית לביטול החזרת גלי אור ממשטחים, אשר מונעת החזרה של טווח רחב של אורכי גל או תדרים. לשיטה זו עשויים להיות יישומים רבים, החל משיפור יעילותן של מערכות אופטיות וכלה בפיתוח מטוסים וכלי רכב חמקנים.

 

המחקר נערך בהובלת פרופ' קובי שויער ופרופ' פבל גינזבורג מביה"ס להנדסת חשמל, בשיתוף עם ד"ר דמיטרי פילונוב מהמכון לפיזיקה וטכנולוגיה במוסקבה, ופורסם לאחרונה בכתב העת היוקרתי Optics Express.

 

כאשר קרן אור עוברת מתווך אחד לשני, גם אם שניהם שקופים (כגון מאוויר לזכוכית), חלק מעוצמת האור מוחזר וחלק עובר. תופעה זו, אשר מתבטאת למשל בהשתקפות שאנו רואים כאשר מסתכלים החוצה בשעות החשיכה מחדר מואר דרך החלון, היא תופעה כללית של התפשטות גלים וקיימת גם בגלי רדיו, מיקרוגל, גלי קול, גלי לחץ, ואף בפונקציות הגל המתארות חלקיקים קוונטיים.

 

(צילום: מתוך המחקר)

 

פרופ' שויער מסביר: "תופעת ההחזרה החלקית נובעת מכך שלתווכים שונים תכונות אופטיות שונות. כך למשל, ההחזרה החלקית מזגוגית החלון נובעת מכך שמהירות האור באוויר ובזכוכית הן שונות – האור מתקדם לאט יותר בזכוכית. תופעת ההד שאנו שומעים בקרבת מצוקים, נובעת מסיבה דומה – גלי הקול יכולים להתקדם בקלות בחומרים מוצקים, במהירות גבוהה יותר מאשר מהירותם באוויר. ההבדל בין מהירות הקול באוויר ובסלע גורם להחזרה חלקית של גלי הקול והוא זה שיוצר את ההד".

 

במקרים רבים, מציינים החוקרים, תופעת ההחזרה החלקית מהווה גורם מפריע. במערכות תצפית ואופטיקה מורכבות כגון מיקרוסקופ, תופעת ההחזרה החלקית עלולה לגרום להפחתה דרמטית בעוצמת האור המגיעה לעין האנושית או לגלאי, ובכך לפגיעה משמעותית בביצועי המערכת. כדי להעניק פתרון לתופעת ההחזר החלקית על פני טווח תדירויות רחב, החוקרים ניגשו לבעיה מכיוון שונה לחלוטין.

 

פרופ' שויער מרחיב: "באופן כללי, על מנת להפחית את תופעת ההחזרה החלקית ניתן להשתמש ב'ציפוי נגד החזרות' (anti-reflection coating). ציפוי זה מתפקד כמהוד (באנגלית resonator) הגורם להתאבכות בונה של האור בכיוון ההתקדמות ולהתאבכות הורסת לאחור, וכך מידת ההחזרה פוחתת. ציפויים מסוג זה ניתן למצוא במגוון רחב של מערכות אופטיות ואקוסטיות, ואפילו במשקפי ראייה. החיסרון העיקרי של השיטה הוא יעילותה המוגבלת, אשר מתאימה לתדר יחיד, זהו תדר התהודה".

 

במערכות הנדרשות לטפל בטווח של אורכי גל או תדרים, לדוגמה משקפי ראייה או מיקרוסקופ, השיטה הקיימת אינה מבטלת לחלוטין את ההחזרה החלקית של האור. עקרונית, ניתן להרחיב את השיטה לטיפול בטווח של אורכי גל או תדרים, וזאת ע"י הרכבת ציפוי שכולל מספר שכבות מחומרים ועוביים שונים, אך בפועל קשה מאוד לתכנן ציפויים מרובי שכבות מכיוון שנדרשת אופטימיזציה מסובכת של עובי השכבות ותכונותיהן.

 

על מנת להתגבר על מגבלת היעילות בשיטות הקיימות, פיתחו החוקרים התקן המכונה "מהוד לאור לבן". פרופ' שויער: "בניגוד למהודים רגילים, המאופיינים ע"י מספר מסוים ומוגבל של תדרי תהודה, המהוד החדש מסוגל להגיב לטווח רציף של תדרים. הרעיון שמאחורי השיטה החדשה הוא שימוש בתכונות הייחודיות של המהוד לאור לבן על מנת ליצור התאבכות הורסת של הגלים המוחזרים על פני כל טווח התהודה של המהוד ובאופן זה לבטלם. מימוש המהוד המיוחד מתאפשר הודות לשילוב של מספר שכבות בעלות תכונות אופטיות שונות, אלא שבניגוד לגישה הקונבנציונלית, התכנון הוא פשוט ואינו דורש אופטימיזציה ממוחשבת מסובכת".

 

החוקרים אימתו את תקפות הרעיון ע"י מימוש מבנה שמבטל החזרות בטווח תדרים רחב בתחום המיקרוגל. לשם כך, הם הרכיבו שני מוליכי גלים בעלי מאפיינים שונים והראו כי ניתן לבטל את ההחזרה החלקית אשר מתרחשת באופן רגיל כאשר גלי מיקרוגל עוברים ממוליך גלים אחד לשני ע"י מימוש מהוד אור לבן המורכב ממקטעים של מוליכי גלים בעלי מאפיינים שנבחרו בהתאם. כדי לשלוט במאפייני המקטעים המרכיבים את המהוד, החוקרים מילאו אותם במטא-חומרים שמומשו באמצעות הדפסה תלת ממדית.

 

פרופ' שויער מסכם באופטימיות: "קונספט המהוד לאור לבן הינו אוניברסלי וניתן למימוש לכל סוגי הגלים ובכל טווחי התדרים. ליכולת לבטל החזרות על פני טווח תדרים רחב עשויות להיות השלכות מרחיקות לכת ויישומים רבים כגון מערכות תצפית ודימות טובות יותר, מערכות תקשורת בעלות טווח וקצב מידע משופרים וכן פיתוח טכנולוגיות חמקנות".

 

פרופ' לב שמר ומיטל גבע

מחקר

28.03.2022
איך נוצרים גלים בים?

חוקרים וחוקרות מהנדסה מכנית פיצחו תעלומה המדעית

  • מחקר
  • הנדסת חשמל
  • הנדסה מכנית

בתמונה מימין לשמאל: ד"ר מיטל גבע ופרופ' לב שמר

 

אחת מתופעות הטבע הנפוצות והמוכרות ביותר היא היווצרות של גלי ים על ידי רוחות ומשבי אוויר. אלא שמתברר, כי על אף שהתופעה מוכרת מאז ומתמיד, ובהינתן שהמדע המודרני מנסה כ-150 שנה להבין לעומק את המנגנון המוביל לתופעה, עד היום לא נמצא עדיין המודל המתמטי המושלם שיתאר את התהליך במלואו ויאומת בניסוי.

 

פרופ' לב שמר וד"ר מיטל גבע ממעבדת גלי המים בבית הספר להנדסה מכנית מאוניברסיטת תל אביב פיתחו מודל תאורטי חדשני וראשון מסוגו אשר שופך אור על התעלומה. המודל נועד להסביר את תהליך יצירת הגלים, והוא נבחן בסדרת ניסויים מורכבים שבוצעו לאורך תקופה ארוכה. המחקר פורסם בכתב העת היוקרתי Physical Review Letters.

 

ד"ר גבע מסבירה: "התפתחות גלי רוח על פני המים היא תופעה מורכבת. אחת הסיבות להיעדר תאוריה כוללת של התהליך נובעת ממחסור בתוצאות ניסיוניות מפורטות – מדידות שדה גלים ורוח בים מוגבלות מאוד, בעיקר בשל חוסר היכולת לשלוט בתנאי הסביבה  וקושי לבצע ניסויים בים הפתוח, אפילו בקרבת החוף. במעבדת הגלים בבית הספר להנדסה מכנית באוניברסיטת תל אביב קיימת מערכת ניסוי ייחודית ואוטונומית לבחינת האינטראקציה בין המים לרוח, ומערכת זו מאפשרת איסוף של מידע מקיף על ההתנהגות במרחב ובזמן של פני המים תחת משטרי רוח שונים".

 

גלים מכניים ובכלל זה גלי מים, ניתנים לתיאור על ידי אוסף של תדירויות, ממש כפי שניתן לפרוט מנגינה לתווים והרמוניות. המודלים הנפוצים ביותר כיום מתחשבים בגידול של הרמוניה בודדת, הבלתי יציבה ביותר, ומניחים שההתפתחות המרחבית שלה אחידה. המודל החדש שמציעים החוקרים מתחשב בכל ההרמוניות הבלתי יציבות ובמגבלות החלות עליהן – בהן מגבלת שבירה של הרמוניות תלולות מאוד, דעיכה הדרגתית כתוצאה מהסתרה של הרמוניות נמוכות ע"י גלים גבוהים יותר ומגבלת זמן התפתחות מרחבי. בכך, התאוריה החדשה מאפשרת לתאר את הסיטואציה הפיזיקלית באמינות גבוהה, בהשוואה למודלים הקודמים.

 

החוקרים מוסיפים כי הקושי התאורטי שהיה קיים בפיתוח מודל שלם נובע מכך שבמים נוצרות צורות ותבניות דינמיות סבוכות המגיבות אחת עם השנייה ומאופיינות במידה רבה של אקראיות בזמן ובמרחב התלת ממדי. כמו כן מעורבים בבעיה שלל כוחות מכניים כמו כבידה, צמיגות ומתח פנים, ויש לקחת בחשבון את מעברי האנרגיה והתנע בין האוויר למים –  סוגיה לא טריוויאלית כלל במכניקת הזורמים. הבעייתיות המובנית בתורות הקודמות, ששימשו את החוקרים בתחום זה במשך כ-65 שנה, נובעת מההנחות הרבות עליהן הן התבססו וחוסר היכולת שלהן להתממש בצורה כמותית, מה שהגביל עד מאוד את יכולת החיזוי הפיזיקלית.

 

ד"ר גבע מפרטת לגבי המודל החדש ויישומיו: "במחקר זה אנחנו משתמשים לראשונה במשוואות מדויקות ובשיטות מקובלות מתחום המכניקה סטטיסטית על מנת לנתח את התהליכים האקראיים והלא-ליניאריים שמתרחשים בעת היווצרות הגלים. למעשה, המודל המוצע הוא היחיד שמאפשר תיאור בזמן ובמרחב של שדה הגלים החל ממצב של פני מים חלקים ועד למצב סופי הקבוע בזמן, וחשוב מכל – זהו המודל הראשון שאומת באופן מלא מול תוצאות ניסיוניות ומתאר את התהליך לא רק איכותית, אלא גם כמותית.

 

היווצרות גלי רוח היא תוצאה של אינטראקציה הדדית בין האוקיינוס לאטמוספירה ולכן לתהליך השפעה מכרעת על מעבר מסה, תנע ואנרגיה בממשק פני המים. בהתבסס על כך, אנו סבורים כי התיאור המוצע הוא צעד חשוב בשיפור במודלים לחיזוי מזג אויר בטווח קצר ושינוי אקלימי בטווחי זמנים ארוכים יותר. כמו כן, הבנת האינטראקציה תאפשר הערכה של תנאי סביבה המשפיעים על החיים בים ויכולת ניבוי של תנועת מזהמים על פני המים. עם המסקנות מהמחקר ניתן ללכת צעד אחד קדימה בתחומים הללו, שחשיבותם הולכת וגוברת בעידן משבר האקלים בו אנו חיים. מעבר לכך, תמיד נהדר לפתור תעלומות במדע ואנחנו שמחים על התוצאות".

 

יצוין כי מעבדת גלי המים בראשות פרופ' לב שמר משמשת מזה שנים גם לאימות של מודלים מתחומי דעת נוספים בהנדסה ובפיזיקה, בהן מספר תגליות חדשות שפורסמו לאחרונה כגון מיקוד חושך בדומה למיקור קרני אור, וכן מוליך גלים מסוג חדש, שתיהן פרי עבודתו של פרופ' עדי אריה מביה"ס להנדסת חשמל.

 

פרופ' עדי אריה, פרופ' וולפגאנג שלייך והדוקטורנט גאורגי גרי רוזנמן

מחקר

01.03.2022
חוקרים הראו כי ניתן למקד חושך בדיוק כפי שניתן למקד אור

רתימת התופעה תאפשר פיתוחים טכנולוגיים בתחומי האקוסטיקה והאופטיקה

  • מחקר
  • הנדסת חשמל
  • הנדסה מכנית

בתמונה מימין לשמאל: פרופ' עדי אריה, פרופ' וולפגאנג שלייך והדוקטורנט גאורגי גרי רוזנמן

 

מחקר חדש של הפקולטה להנדסה בשיתוף עם אוניברסיטאות בארצות הברית ובגרמניה וכן מכון החלל הגרמני (DLR), מראה לראשונה כי ניתן "למקד חושך", כלומר לרכז גלים לנקודה אחת במרחב שבה תתקבל עוצמת אור מינימלית. זאת בצורה אנלוגית למיקוד המוכר (למשל ע"י עדשות או מראות כדוריות) שבסופו מתקבלת נקודת אור בוהקת.

 

החוקרים מאחורי המחקר

פרופ' עדי אריה מבית הספר להנדסת חשמל, פרופ' לב שמר מבית הספר להנדסה מכנית והדוקטורנט גאורגי גרי רוזנמן מהפקולטה למדעים מדויקים ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר.

בנוסף, החוקרים מאוניברסיטת אולם ומכון החלל הגרמני הם ד״ר מנואל רודריגז גונקאלבס, ד״ר מתיאס צימרמן, פרופ׳ מקסים איפראימוב ופרופ׳ וולפגאנג שלייך והחוקר מאצות הברית הוא פרופ׳ וויליאם קייס. פרופ' עדי אריה מופקד על הקתדרה לננו-פוטוניקה ע"ש מרקו ולוסי שאול. 

 

שהיה של הגל

גלים אלקטרומגנטיים, גלי חומר וגלי כבידה משטחיים יכולים להתרכז לאזור קטן וממוקד במרחב, תופעה המוכרת בתור מיקוד בהיר. זהו העיקרון על בסיסו פועלים שלל התקנים אופטיים ובהם עדשות, טלסקופים, מצלמות, מיקרוסקופים, זכוכית מגדלת וגם העין האנושית. עבודה קודמת שנעשתה אף היא במעבדתו של פרופ' אריה יחד עם חלק מהשותפים למחקר החדש, כללה את פיתוחו של מוליך גלים מסוג חדש, מראה כי ניתן לבצע מיקוד גם ללא עדשה – כאשר אור או כל גל אחר עובר דרך חריץ צר ומתרכז לאזור בהיר במרחב.

הדוקטורנט גאורגי גרי רוזנמן מסביר: "מיקוד בדרך כלל מקושר לעלייה בעוצמת האור באזור מצומצם במרחב, כפי שניתן לצפות באור העובר דרך עדשה, וכאן ניסינו לבצע את הפעולה ההפוכה, כלומר להוריד כמעט לאפס את כמות האור בנקודה מסוימת במרחב. התופעה שגילינו בניסוי וגם חקרנו באמצעות תאוריה נלווית, מכונה מיקוד עקיפתי אפל. במסגרת התופעה הזו, גלים מתרכזים לנקודה אחת במרחב, אבל שלא כמו במיקוד בהיר, מקבלים מינימום של עצמה בעוד שבכל שאר המרחב ישנם גלים בעוצמה גבוהה."

 

במאמר מפרטים החוקרים את הניתוח התאורטי של הבעיה באמצעות כלים ממכניקת הגלים וממכניקת הקוונטים. החוקרים מציינים כי על פי התחזית התאורטית, תופעה זו יכולה להתרחש גם בהיעדר עדשה המרכזת את האור, בנוכחות סדק בלבד. רוזנמן מוסיף ואומר כי "הבסיס לעקרון הפעולה החדש שפענחנו, הוא שבמחצית מהסדק תתבצע השהיה של הגל, לעומת החצי השני שבו הגל יעבור לא השהיה. עבור גלים אופטיים למשל, ניתן לממש השהיה כזו על ידי הוספת לוחית דקה של זכוכית שתכסה את מחציתו של הסדק. הניסוי שבוצע השתמש ברעיון דומה, אבל עבור גלי מים".

 

רוזנמן מפרט לגבי השלב השני של המחקר, בו חזו בתופעה המרתקת גם בגלי כבידה משטחיים של מים: "במעבדתו של פרופ' לב שמר, יצרנו מערך של גלי כבידה משטחיים בבריכת גלים שאורכה כ-5 מטרים. על בסיס התחזית התיאורטית הנדסנו את מבנה הסדק המיוחד במרחב הזמן, וצפינו לראשונה בתופעה של מיקוד עקיפתי אפל באופן ניסיוני. למעשה הבנו כי מיקוד עקיפתי אפל איננו רק התאום המנוגד  למיקוד הבהיר, אלא שיש לו גם הרבה תכונות מעניינות בפני עצמו. למשל, ראינו כי המיקומים של מוקדי החושך שונים מאלה של מוקדי האור, וכי הוצאת המערכת מפוקוס עשויה לגרום להיווצרותם של פסי חושך רחבים".

 

החוקרים טוענים כי לתופעה החדשה שגילו והסבירו יש השלכות מעניינות בהבנה של תופעות גליות, וכי יתכנו יישומים שלה גם בגלים אקוסטיים ואלקטרומגנטיים. רוזנמן מסכם: "בעזרת המסקנות מהניסויים שערכנו ומהתאוריה שבנינו, אנו מעריכים כי ניתן יהיה להעלים רעשים באופן ממוקד או ללכוד ולהזיז חלקיקים בצורה יעילה יותר. אמנם התופעה עוסקת בחושך אך היא כנראה תביא הרבה אור מדעי לחיינו, שכן זהו פתח לתופעות פיזיקליות חדשות".

 

המחקר פורסם בעיתון היוקרתי Applied Physics B 

קישור למחקר

 

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

tausat3

מחקר

02.01.2022
הננו-לוויין TauSat3 שוגר לחלל

חוקרים מהפקולטה להנדסה וביה"ס לפיזיקה ולאסטרונומיה פיתחו "כספת" המגנה על מערכות אלקטרוניות מפני נזקי קרינה בחלל

  • מחקר
  • הנדסת חשמל

אוניברסיטת תל אביב שיגרה לחלל בבוקר יום ג' שעבר את הלוויין TauSat3 שהכיל מדגים טכנולוגי של "הכספת", מנגנון חללי חדשני. הלוויין שוגר ממרכז החלל קנדי בפלורידה באמצעות טיל פלקון 9 של חברת SpaceX והוא הועבר באמצעות החללית Cargo Dragon C209 לתחנת החלל הבינלאומית של נאס"א, יחד עם מתנות לאסטרונאוטים לכבוד חג המולד. ביום שישי האחרון הלוויין הותקן והופעל בהצלחה בתחנת החלל הבינלאומית. הלוויין משדר נתונים תקינים ומתקשר עם הקרקע.

 

הלוויין TauSat3, שגודלו כגודל קופסת נעליים תוכנן ונבנה בקפידה על ידי צוות המומחים של האוניברסיטה ויבחן את ביצועיו של מנגנון הגנה אקטיבי להגנה על אלקטרוניקה מפני תופעות ונזקים הנגרמים על-ידי קרינה קוסמית. הכספת תאפשר שימוש במערכות אלקטרוניות מסחריות עדכניות בחלל על ידי הכנסתם לסביבה המוגנת שבתוך ה"כספת" והפעלתם בסביבה זו. לטענת החוקרים מדובר במנגנון בעל פוטנציאל מהפכני בתחום הלוויינות וכן בעל השפעה כלכלית משמעותית.

 

המחקר נערך בהובלת הדוקטורנט יואב שמחוני מביה"ס להנדסת חשמל, יחד עם ראש ביה"ס לפיזיקה ולאסטרונומיה פרופ' ארז עציון ופרופ' עופר עמרני מהפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן, ראש המעבדה ללוויינות זעירה.

 

יצוין כי "הכספת" צפויה להיכלל בסדרת הניסויים פורצי הדרך שיערכו במסגרת משימת "רקיע" בהובלת קרן רמון וסוכנות החלל הישראלית. איתן סטיבה, הישראלי השני בחלל ימריא למשימה בתחנת החלל הבינלאומית בחודש פברואר הקרוב. סטיבה צפוי לערוך עשרות ניסויים עבור חוקרים מובילים משורת אוניברסיטאות וחברות מסחריות בישראל.

 

פרופ' עציון ופרופ' עמרני מסבירים: "שילוב משימת הכספת במסגרת משימת "רקיע" יספק הזדמנות נדירה לבחון את אבני הבניין של טכנולוגיה זו בחלל. במקביל למחקר האקדמי, הפעילות ונושא המחקר ממונפים לטובת קידום תכנית חינוכית-מדעית בתחום החלל והקרינה."

בתמונה מימין לשמאל: פרופ' עפר עמרני, איתן סטיבה ויואב שמחוני, יחד עם הכספת במפגש ביניהם בקיץ (צילום: אוניברסיטת תל אביב)

 

הדוקטורנט יואב שמחוני מוסיף: "כיום, ציוד אלקטרוני הנשלח לחלל חייב בהתאמות ייעודיות למניעת נזק אפשרי מהקרינה בחלל. ההגנה שתספק הכספת תאפשר שימוש ברכיבים מסחריים בחלל, בכך תפתח הדלת  לשימוש ברכיבים אלקטרוניים מתקדמים תוך קיצור ניכר הן של זמני הפיתוח והן של עלויות המוצרים החלליים."

 

בנוסף, שותפים להצלחת הפרויקט: מאוניברסיטת תל-אביב - דולב בשי, אלעד שגיא, ברוך מאירוביץ וצוות בית המלאכה, ד״ר יאן בן חמו, ד״ר איגור זולקין, ד״ר מאיר אריאל, אורלי בלומברג, אדוארד קרט, לילי אלמוג וצוות הרכש, יסמין מילר והצוות המשפטי, ומספר סטודנטים להנדסת חשמל, תוכנה ופיזיקה. ממכללת אפקה - ד״ר אלכס סגל, התעשייה האווירית, חברת ננורקס המתאמת את העבודה מול נאס״א, משרד עורכי הדין ארליך, סאם ברקוביץ' ומשרד עורכי הדין הרצוג פוקס נאמן, חברת ארוטק, טל אחיטוב.

ד"ר אינס צוקר ואנדריי איתן רובין

מחקר

26.12.2021
מחקר חדש מצא כי מיקרופלסטיקים עלולים להיות רעילים לבני האדם, במיוחד אחרי חשיפה

חוקרים וחוקרות מבית הספר להנדסה מכנית פרסמו מאמר בכתב העת היוקרתי Chemosphere

  • מחקר
  • הנדסה ביו-רפואית

המיקרופלסטיק נמצא כמעט בכל מקום, בקופסאות האוכל ובתרופות שלנו, בגינה הציבורית, בצעצועים של הילדים, בבקבוקי שתיה, בבגדים, במחשבים, בטלפונים הניידים. הם יכולים להיות מסוכנים לבריאות האדם, במיוחד כשהם לא לבדם. 

 

מחקר חדש של המעבדה לננוטכנולוגיה סביבתית בראשות דר' אינס צוקר ובהובלת הדוקטורנט אנדריי איתן רובין מוצא כי מיקרופלסטיקים הם בעלי פוטנציאל לספיחה של חומרים אורגנים רעילים בסביבה הימית.

 

כשהצמד מגיע לבני האדם, רעילותם של המיקרופלסטיקים יחד עם החומרים הספוחים (אשר אינם רעילים בריכוז שנספח) מוגברת פי 10! תיאור המנגנון לפיו המיקרופלסטיק משמש נשא אפקטיבי של המזהם מהסביבה אל תנאים שמדמים סביבה תאית, ולבסוף גורם לרעילות מוגברת פורסם לאחרונה בכתב העת היוקרתי Chemosphere

באיור (איור מהמחקר) החוקרים מראים 2 מסלולי חשיפה למיקרופלסטיק, בראשון כשהוא ללא מזהמים ספוחים עליו (נקי) והמסלול השני כשהמיקרופלסטיק ספח מזהם מהסביבה.

 

"במחקר הזה אנחנו מראים שאפילו ריכוזים מאוד נמוכים של מזהמים סביבתיים, שאינם רעילים לאדם, כאשר הם ספוחים על המיקרופלסטיק גורמים לעלייה ברעילות. הסיבה לכך, היא שבעצם המיקרופלסטיק מהווה מן מגנט למזהמים סביבתיים ומרכז אותם על גביו, הוא "מסיע" אותם דרך מערכת העיכול שלנו ומשחרר אותם בצורה מרוכזת באזורים מסוימים ובכך גורם לרעילות מוגברת. חדשנות המחקר היא בכך, שבעצם בפעם הראשונה אנחנו מראים תמונה כוללת של הגורל המיקרופלסטיק, מרגע השחרור שלו לסביבה, דרך ספיחה של מזהמים סביבתיים ועד לרעילות מוגברת באדם." מסביר אנדריי איתן רובין.

 

למאמר

 

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

 

בתמונה מימין לשמאל: ד"ר גילי ביסקר, עדי בן-ארי ולירון בן-ארי

מחקר

26.12.2021
מוציאים את שיווי המשקל מהמשוואה

סטודנטים מתוכנית המצטיינים של הפקולטה להנדסה, בהנחיית ד"ר ביסקר, פיתחו סימולציית מחשב לחיזוי הדינמיקה של מערכות ביולוגיות מחוץ לשיווי משקל תרמודינמי

  • מחקר
  • הנדסה ביו-רפואית

עדי בן-ארי ולירון בן-ארי הם סטודנטים להנדסת חשמל ופיזיקה, בשנה ד' ובתוכנית המצטיינים של הפקולטה להנדסה. אין זה במקרה שיש להם שם משפחה זהה, מדובר על תאומים זהים עם גאווה כפולה במיוחד לאור העובדה שמאמרם פורסם לראשונה החודש במגזין המדעי והיוקרתי The Journal of Chemical Physics. המאמר נכתב בהנחייתה של ד"ר גילי ביסקר, בנושא:  "Nonequilibrium self-assembly of multiple stored targets in a dimer-based system"

 

ד"ר ביסקר מפתחת במעבדה שלה ננו-חיישנים אופטיים תוך שימוש בתכונות האופטיות של ננו-צינוריות מפחמן כדי לזהות ולכמת מולקולות ביולוגיות בצורה ספציפית וסלקטיבית. בנוסף, היא חוקרת מערכות מורכבות מחוץ לשיווי משקל תרמודינמי, בהשראת מערכות ביולוגיות.

 

מערכות הרכבה עצמית

במערכות רבות, ובפרט בגוף האדם, מתרחשים תהליכים של הרכבה עצמית – תהליכים בהם מספר אבני בניין, כמו חלבונים, מסתדרים במבנה מסוים שנחוץ לפעולה ביולוגית ספציפית. כאשר תהליכי הרכבה עצמית מתרחשים בשיווי משקל תרמודינמי, כאשר חום נכנס מהסביבה או יוצא אליה רק באופן איטי ומבוקר, ניתן לתאר אותם ולחזות את תוצאותיהם מתוך התורה של מכניקה סטטיסטית בשיווי משקל.

אולם, תהליכים בגוף האדם מתאפיינים בחוסר שיווי משקל ואינם הפיכים, מה שמצריך כלים מתקדמים יותר על מנת לנתח אותם. במחקר, מודלה מערכת כללית של אבני בניין משני סוגים שונים שיכולות לשחזר מספר מבני מטרה, בהשראת מערכות ביולוגיות.

 

באמצעות סימולציות מחשב של המערכת, בהן הדינמיקה הוצאה משיווי משקל על ידי כוח לוקאלי (מקומי) – שמשפיע על האינטראקציה בין אבני בניין שכנות, הצליחו החוקרים להדגים מספר תכונות מעניינות. למשל, התאפשרה הרכבה של מבני המטרה מתוך מבנים התחלתיים קטנים יותר ביחס לאלו הנחוצים בשיווי משקל, הוגדלו מספר מבני המטרה שניתן לקודד למערכת, וכן שופרו היציבות ומהירות ההרכבה.

איור מתוך המאמר: סימולציה של הדינמיקה של המערכת. ככל שהזמן עובר, מצטרפים עוד חלקיקים לגרעין ההתחלתי ומבנה המטרה מורכב. בנוסף לחלק שחופף למבנה המטרה (בירוק), נבנים גם מבנים שגויים, שאינם שייכים למבנה המטרה (באדום).

 

איך המחקר יכול לסייע בעתיד?

מחקר זה יוכל לסייע בתכנון ושיפור מערכות המסוגלות לאחסן מספר מבני מטרה ולשחזר אותם, למשל חומרים מסתגלים שיכולים להסתדר במבנים שונים כתלות בתנאים חיצוניים. בפרט, הקטנת המבנים ההתחלתיים הדרושים, כפי שהוצג במחקר, יכולה להוות בסיס לאחסון יעיל יותר של מידע באמצעות מערכות מורכבות.

 

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

ד"ר גילי ביסקר (משמאל) ומנהלת המעבדה ד״ר עדי הנדלר-נוימרק

מחקר

13.12.2021
תולעים זורחות

לראשונה, חוקרות מהנדסה ביו-רפואית הצליחו בעזרת ננו-צינוריות מפחמן לבצע מעקב בתוך תולעים מבלי שתהיה הפרעה של אוטופלורנסציה מהתולעת עצמה

  • מחקר
  • הנדסה ביו-רפואית

מולקולות או חלקיקים פלורסנטים, הפולטים אור באורך גל מסויים בעקבות עירורם באור בעל אורך גל קצר יותר, מהווים כלי נפוץ במחקרים רבים. לרוב, חוקרים משתמשים בצבענים פלורסנטים על מנת לסמן ולעקוב אחר חלבונים או מטרות ברקמות שונות בתוך חיות מודל. במקרה של תולעים, הסימון לא פשוט בכלל, היות ולתולעת עצמה יש חלבונים שפולטים פלורסנציה בתחום האור הנראה באורכי גל זהים לאורכי הגל בהם פולטים הצבענים הפלורסנטיים.

 

בעזרת פיתוח חדש, המבוסס על ננו צינוריות מפחמן של ד"ר ביסקר, הודגמה יכולת דימות ומעקב בתוך התולעים מבלי שתהיה הפרעה של אוטופלורנסציה מהתולעת עצמה, בזכות הפליטה הפלורסנטית של ננו-הצינוריות בתחום האינפרא-אדום הקרוב.

 

עבודתה של ד"ר גילי ביסקר ומנהלת המעבדה שלה ד״ר עדי הנדלר-נוימרק בנושא, התפרסמה בכתב העת המדעי Materials Today Bio בה הן חושפת את השיטה החדשנית למעקב אחר ננו-הצינוריות מפחמן בתוך תולעים. במחקר הייתה שותפה גם ד״ר ורנה וולף, פוסטדוקטורנטית במעבדתה של גילי.

 

ד"ר ביסקר מפתחת במעבדה שלה ננו-חיישנים אופטיים תוך שימוש בתכונות האופטיות של ננו-הצינוריות מפחמן כדי לזהות ולכמת מולקולות מטרה בצורה ספציפית וסלקטיבית. החיישנים מבוססים על ננו-צינוריות מפחמן הפולטות פלורסנציה בתחום האינפרא-אדום הקרוב, וכך מתאפשר לראות עמוק יותר בתוך הרקמה ובדוגמאות ביולוגיות, ולשפר את היחס בין האות לרעש.

 

תולעים כחיית מודל

תולעים משמשות חיית מודל נפוצה בזכות דמיון גנטי גבוה לבני אדם בגנים מחוללי מחלות כמו למשל במחלת הפרקינסון. למרות היתרונות הרבים שלהן כגון גודלן הקטן ושקיפותן, חסרון אחד משמעותי הוא האוטופלורסנציה שלהן בכל התחום הנראה, הנובעת מחלבונים שנמצאים בתוך התולעת עצמה הפולטים פלורסנציה. חסרון זה קיים לא רק בתולעים, אלא בחיות מודל רבות, עובדה המקשה מאוד על שימוש בצבענים או חלבונים פלורסנטים סינתטיים, היות ולא ניתן להפריד בין החלבונים הפלורסנטים הטבעיים של האורגניזמים לבין הצבען הפלורסנטי הסינתטי.

תמונה מהמאמר: בשורה העליונה ניתן לראות תמונות פלורסנטיות של התולעים במספר אורכי גל, התמונה השמאלית (NIR) היא של ננו-הצינוריות (אדום). התמונה האמצעית (DAPI+NIR) והימנית (GFP+NIR) הן תמונות משולבות של ננו-הצינוריות מפחמן באדום עם התמונות של האוטופלורסנציה של התולעת באורך גל המתאים לצבע הפלורסנטי הסינתטי DAPI או GFP (כחול או ירוק). בשורה השנייה התמונות הפלורסנטיות מוצגות על גבי תמונה באור לבן של התולעים, על מנת למקם את ננו-הצינוריות ביחס למעי של התולעת.

 

החוקרות השתמשו בננו-צינוריות מפחמן אשר פולטות פלורסנציה בתחום האינפרא אדום הקרוב – זהו תחום ספקטרלי בו אין אוטופלורסנציה כלל. "באמצעות ננו-הצינוריות הצלחנו לעקוב אחר פעילות העיכול של התולעים, לראות את המעבר שלהן בוושט עד צינור המעי, ולנטר את פעילות השאיבה של האוכל", מסבירה ד"ר הנדלר-נוימרק.

 

לדברי ד״ר ביסקר, ״הננו-חלקיקים הללו מתאימים לעבודה עם דוגמאות ביולוגיות ואינם פוגעים בהן, ולכן מאפשרים לעקוב אחר תהליכים בתוך אורגניזמים או תאים חיים ללא הפרעה של האוטופלורנסנציה הטבעית שלהם. השימוש בננו-צינוריות מפחמן יכול להוות יתרון משמעותי במעקב אחר תהליכים בחיות מודל קטנות כמו תולעים וגם לעקוף לחלוטין את האתגר של אוטופלורסנציה בתחום האור הנראה״.

 

אלה שמתאהבות בבעיה הן אלה שממציאות לה פתרון

פרופ' יעל חנין

מחקר

18.11.2021
פיתוח חדש יאפשר לחשוף "שקרנים" ע"י תנועות של שרירי הפנים

פרופ' יעל חנין וחוקרים מאוניברסיטת ת"א הצליחו למדוד את תנועות שרירי הפנים בעת אמירת שקר ולתפוס את ה"שקרנים" בדיוק חסר תקדים של 73%.

  • מחקר
  • הנדסת חשמל

לראשונה בעולם, חוקרים מאוניברסיטת תל אביב הצליחו לזהות 73% מהשקרים לפי כיווצי שרירי הפנים בעת אמירת השקר. זאת ועוד, החוקרים הצליחו לזהות שתי קבוצות של "שקרנים": אלה שהשקר מקפיץ להם את שרירי הלחי ואלה שמשקרים מעל הגבות. לטענת החוקרים, למחקר החדש השלכות רבות לגבי זיהוי שקרים בכל תחומי החיים, כמו ביטחון ופשיעה.

 

המחקר נערך על ידי צוות מומחים מאוניברסיטת תל אביב, בהובלת פרופ' יעל חנין מבית הספר להנדסת חשמל ופרופ' דינו לוי מהפקולטה לניהול ע"ש קולר, ובהשתתפות ד"ר אנסטסיה שוסטר, ד"ר לילך אינזלברג, ד"ר אורי אוסמי והדוקטורנטית ליז איזקסון. המחקר פורסם בכתב העת היוקרתי Brain and Behavior.

 

המחקר החדש התאפשר הודות לפיתוח חדשני ופורץ דרך מהמעבדה של פרופ' יעל חנין: מדבקות המודפסות על משטחים רכים ומכילות אלקטרודות מיוחדות, המאפשרות לנטר ולמדוד את פעילות השרירים והעצבים. לפיתוח, שכבר ממוסחר דרך חברת X-trodes, יישומים רבים כמו ניטור שינה מהבית, זיהוי מוקדם של מחלות עצביות ושיקום– אבל הפעם החוקרים מאוניברסיטת תל אביב החליטו להשתמש בו בכיוון אחר: זיהוי שקרים.

 

"מחקרים רבים הראו שאי אפשר באמת לזהות שקר, וכל האנשים שטוענים שהם יודעים לזהות 'פוקר פייס' – משלים את עצמם", מסביר פרופ' לוי. "יש מומחים, למשל חוקרי משטרה, שמצליחים קצת יותר, אבל רק קצת. ואילו הטכנולוגיה הקיימת של גלאי אמת בעייתית עד כדי כך שהיא אפילו לא קבילה בבית המשפט. תמיד אפשר ללמוד לשלוט על הדופק ולהערים על המכונה. מכל זה נובע שצריך טכנולוגיה אמינה ומדויקת יותר לזיהוי שקרים. הנחת יסוד אחת במחקר היא ששרירי פנים מתעוותים כשאנו משקרים, אלא שעד כה האלקטרודות פשוט לא היו רגישות מספיק כדי למדוד את העיוותים הללו".

 

במסגרת הניסוי, החוקרים הדביקו את האלקטרודות המיוחדות על שתי קבוצות שרירי פנים: שרירי הלחי הסמוכים לשפתיים והשרירים שמעל הגבות. הנסיינים נתבקשו לשבת אחד מול השני, כשלראשם אוזניות, שהשמיעו את המילים "קו" או עץ". כאשר נסיין אחד שמע "קו" ואמר "עץ", או שמע "עץ" ואמר "קו", הוא שיקר כמובן – והיושב מולו היה צריך לנסות ולזהות השקר.

בשלב השני, הנסיינים התחלפו, והמנחש התבקש להגיד אמת או שקר. כצפוי, המשתתפים בניסוי לא הצליחו לזהות אם שיקרו להם במובהקות סטטיסטית, אולם האותות החשמליים מפניהם אפשרו לחוקרים להגיע לתוצאה חסרת תקדים של זיהוי השקר ב-73% מהמקרים.

 

"מדובר במחקר ראשוני, ולכן השקר עצמו היה פשוט", אומר פרופ' לוי. "לרוב, כשאנחנו משקרים אנחנו מספרים סיפור ארוך יותר מ'קו' ו'עץ', עם מרכיבים של אמת ומרכיבים של שקר. אבל היתרון המחקרי כאן הוא שאנחנו ידענו מה נאמר באוזניות, כלומר ידענו מתי נאמר שקר ומתי אמת, וכך אימנו את התוכנה באמצעות למידת מכונה מתוחכמת לזהות שקרים לפי אותות ה-EMG באלקטרודות, והגענו לדיוק של 73% - לא מושלם, אבל טוב בהרבה מכל טכנולוגיה קיימת. תוצאה מעניינת אחרת הייתה שאנשים שונים משקרים באמצעות שרירים אחרים בפנים: חלק שיקרו עם שרירי הלחי וחלק עם השרירים שמעל הגבות".

 

לתוצאות הללו ייתכנו השלכות דרמטיות על היבטים רבים של חיינו, שכן המחקר הבסיסי לגבי הפיזיולוגיה של הפנים בעת אמירת השקר יכול לייתר את הצורך באלקטרודות – ולאמן תוכנות וידאו לזהות שקרים לפי תנועות השרירים עצמם. "בבנק, בחדר החקירות, בנמל התעופה או סתם בריאיון עבודה בזום, מצלמות ברזולוציה גבוהה שאומנו לזהות את תנועות שרירי הפנים ידעו לזהות מתי אנחנו דוברי אמת ומתי שקר", מסכם פרופ' לוי. "ברגע שנעבור את השלב הניסויי, נאמן את התוכנות ונייתר את הצורך באלקטרודות, היישומים רבים ומגוונים".

נגיף הקורונה בכלי דם

מחקר

09.11.2021
מחקר חדש שהתפרסם בכתב העת eLife מראה כי ניתן לזהות את החלבונים בנגיף הקורונה

המחקר נערך בשיתוף חוקרים מהנדסה ביו-רפואית, בית הספר סגול למדעי המוח, מדעי המחשב והאוניברסיטה העברית

  • מחקר
  • הנדסה ביו-רפואית

כמעט שנתיים אחרי שהפכה למגפה עולמית, שקטלה מיליוני בני אדם, עדיין לא נפתרה התעלומה אילו חלבונים בנגיף ה-SARA-CoV-19 אחראים לנזק החמור לכלי הדם שעשוי אף להוביל להתקף לב או לשבץ. כעת, צוות מומחים בהובלת אוניברסיטת תל אביב הצליח לזהות לראשונה חמישה חלבונים מבין 29 החלבונים המרכיבים את הנגיף שאחראים לפגיעה בכלי הדם. החוקרים מקווים כי זיהוי החלבונים יסייע בפיתוח תרופות ייעודיות לקורונה ויביא להפחתת הפגיעה בכלי הדם.

 

המחקר נערך בהובלת קבוצות המחקר של ד"ר בן מעוז מהמחלקה להנדסה ביו-רפואית ובית הספר סגול למדעי המוח, פרופ' אורי אשרי מבית הספר סגול למדעי המוח והפקולטה למדעי החיים, ופרופ' רודד שרן מבית הספר למדעי המחשב ע"ש בלווטניק - כולם חוקרים באוניברסיטת תל אביב. במחקר השתתפו גם פרופ' יעקב נחמיאס מהמכון למדעי החיים באוניברסיטה העברית, והחוקרים ד״ר רוסאנה ראוטי, ד״ר יעל ברדוגו והדוקטורנט מיישר שחוח מאוניברסיטת תל אביב. תוצאות המחקר החדש התפרסמו בכתב העת eLife.

 

"אנחנו רואים שכיחות גבוהה מאוד של מחלות כלי דם וקרישת דם, דוגמת שבץ והתקף לב, בקרב חולי קורונה", מסביר ד"ר בן מעוז. "אנחנו רגילים לחשוב על קורונה כעל מחלה נשימתית בעיקרה, אבל האמת היא שחולי קורונה נמצאים בסיכון מוגבר עד פי שלושה לעבור שבץ או התקף לב למשל. כל העדויות מראות שהנגיף פוגע קשות בכלי הדם או בתאי האנדותל העוטפים את כלי הדם. אלא שעד היום התייחסו לנגיף כולו כאל מקשה אחת. אנחנו רצינו לגלות אילו חלבונים בתוך הנגיף אחראים לנזק הזה".

 

נגיף הקורונה החדש הוא נגיף פשוט יחסית – והוא מורכב בסך הכול מ-29 חלבונים שונים (לעומת עשרות אלפי חלבונים שמייצר גוף האדם). החוקרים מאוניברסיטת תל אביב השתמשו ב-RNA של כל אחד מחלבוני הקורונה ובדקו את התגובה שנוצרת כאשר מחדירים את רצפי ה-RNA השונים לתאים אנושיים של כלי דם במעבדה, וכך הצליחו לזהות חמישה חלבוני קורונה שפוגעים בכלי הדם.

 

"כשנגיף הקורונה חודר לגוף, הוא מתחיל לייצר 29 חלבונים, נוצר נגיף חדש, הוא מייצר 29 חלבונים חדשים וכך הלאה", מספר ד"ר מעוז. "בתהליך הזה, כלי הדם שלנו הופכים מצינורות אטומים למעין רשתות או חתיכות בד חדירות, ובמקביל חלה הגברה בקרישת הדם. אנחנו בדקנו ביסודיות את ההשפעה של כל אחד מ-29 החלבונים שהנגיף מבטא, והצלחנו לראשונה לזהות חמישה חלבונים ספציפיים שמחוללים את הנזק הגדול ביותר לתאי האנדותל ומכאן גם ליציבות ולתפקוד כלי הדם. בנוסף, השתמשנו במודל חישובי שפותח על ידי פרופ' שרן, המאפשר לשער ולזהות אילו מחלבוני הקורונה הם בעלי ההשפעה הגדולה ביותר על רקמות נוספות פרק לכלי הדם, וזאת מבלי שראינו אותם ב'פעולה' במעבדה".

 

לדברי ד"ר מעוז, לזיהוי החלבונים עשויות להיות השלכות משמעותיות במאבק במחלה. "המחקר שלנו יכול לסייע במציאת מטרות לתרופה שתשמש לעצירת פעילותו של הנגיף, או לפחות למזעור הנזק בכלי הדם".

 

הוידאו "סט-אפ" מציג את מערכת ההתחמקות מהמכ"ם יחד עם מסכת הפאזה.

מחקר

07.10.2021
המסכה הפיזיקלית שגורמת לעצמים להיעלם

פיתוח חדש של חוקרים מהפקולטה להנדסה נעזר בחוקי הפיזיקה הבסיסיים כדי לגרום לעצמים שונים "להיעלם" ולחמוק מתחת לעינו הפקוחה של המכ"ם. 

  • מחקר
  • הנדסת חשמל

פיתוח חדש, הנערך בהובלת פרופ' פבל גינזבורג והדוקטורנטים ויטלי קוזלוב ודמיטרו וובצ'וק, מהפקולטה להנדסה באוניברסיטת תל אביב ופורסם בעיתון המדעי Scientific Reports - הצליח לגרום לעצמים שונים "להיעלם" ולחמוק מתחת לעינו הפקוחה של המכ"ם. החוקרים למעשה מלבישים על העצם מעין "תחפושת" המתאפיינת בתכונות המשתנות בזמן, שמקשות על המכ"ם בזיהויו. החוקרים סבורים כי הטכנולוגיה עשויה לשנות את האופן שבו קהיליית המודיעין והביטחון יפעלו כנגד מכ"מים.

 

החוקרים מסבירים כי מאז המצאת המכ"ם לפני כמאה שנים, אחד האתגרים המשמעותיים של הקהילה המדעית והביטחונית ברחבי העולם היה לפתח טכנולוגיה שתאפשר לחמוק ממנו. טכנולוגיות כאלה אכן הוצעו ויושמו, ובראשן המטוס החמקן.

 

ברבות השנים, נכנסו לשימוש מספר אסטרטגיות פעולה שמטרתן הונאת המכ"ם. אחת הדרכים הנפוצות ביותר לכך היא פיזור מוץ: מוץ הוא כינוי כללי לענן של סיבים או רצועות מתכתיות שנהוג לפזר סביב המטרה הפוטנציאלית (מטוס, ספינה או כל עצם צבאי אחר). מאחר שמכ"ם מבוסס על החזרים של גלים אלקטרומגנטיים, המוץ יוצר מיסוך המתבטא ככתם לא ברור על צג המכ"ם, וכך אובדת היכולת לאתר במדויק את מיקום המטרה.

 

אסטרטגיה נוספת היא הקטנת החתימה של המטרה באמצעות טכנולוגיית חמקנות. בבסיס טכנולוגיה זו נמצאת ארכיטקטורה דקדקנית של הגאומטריה והחומר המרכיבים את החמקן, כפי שלמשל קורה במטוס ה"אדיר" המצוי בשירות חיל האוויר הישראלי.

 

כעת, החוקרים בהובלת פרופ' גינזבורג, מציעים אסטרטגיית הונאת מכ"ם חדשה לחלוטין, המבוססת על העיקרון הפיזיקלי של ניצול אפקט דופלר. אפקט דופלר מתרחש כאשר עצם (כגון רכב, מטוס או אוניה)  נע ביחס למכ"ם. הוא מתבטא בכך שתדירות הגלים האלקטרומגנטיים, המתפזרים מהמטרה בחזרה למכ"ם, מוסטת ביחס לתדירות ששודרה, וזאת באופן שקשור באופן הדוק למהירות המטרה.

בסיס הפיתוח החדש נסמך על כיסוי המטרה בחומר מיוחד עם תכונות משתנות בזמן, המאפשרות להערים על המכ"ם ולגרום לו למדוד מהירות אפסית מהמטרה, ובכך להניח שמדובר ברקע סטטי שאין להתייחס אליו.

 

פרופ' גינזבורג: "מאחר שעצמים צבאיים, כגון מטוסים, נעים במהירות גבוהה, הפיזור של הגלים האלקטרומגנטיים, מפני השטח שלהם מושפע רבות מאפקט דופלר, והדבר בא לידי ביטוי במהלך זיהויים במכ"ם. הזיהוי נעשה באמצעות סינון והפרדה של מטרות מהירות אל מול רקע איטי וסטטי– כך מפרידים בין מטוס מהיר ומרוחק לבין ציפור קרובה, הר או ענן גשם. מה שאנחנו מציעים כאן, הוא לא להפחית את הפיזור כפי שחלק מהטכנולוגיות הקיימות עושות, אלא להלביש עליו מסכת פאזה דינמית שתאפשר לו להערים על יחידת העיבוד של המכ"ם".

הדמיה של אופן הפעולה של המערכת כאשר היא מוצבת על עצם צבאי

הדמיה של אופן הפעולה של המערכת כאשר היא מוצבת על עצם צבאי

"אנחנו בעצם שולטים בפאזה הזמנית של הגל האלקטרומגנטי המוחזר מפני העצם, ובכך מנצלים חולשה של מערכת עיבוד האותות במכ"ם", מוסיף הדוקטורנט ויטלי קוזלוב. "מסכת הפאזה יכולה להיות מוצבת על אזור מסוים במטרה עצמה, ובכך לחסוך משאבים רבים, שכן אין צורך לכסות את כולה. בפועל המכ"ם יראה עצם סטטי שקשה להפרידו מסביבתו. יתרון נוסף הוא הוורסטיליות של המערכת שאנחנו מציעים, מאחר שניתן להתאימה למטרות בעלות גדלים וסוגים שונים. יישום השיטה החדשה מאפשר להעלים מהמכ"ם על ידי הבנת החולשות שלו והפיכתן לחוזקות".

 

קישור למאמר

קישור לכתבה ב YNET

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 >>