RESEARCH

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.

מודל חדש שפותח באוניברסיטת תל אביב יאפשר לראשונה לבחון את הנזק הסביבתי שיוצר מיקרופלסטיק בתאי אדם, בצמחים, בבעלי חיים יבשתיים וימיים ובסביבה כולה. בעזרת הפיתוח הטכנולוגי הייחודי ניתן יהיה לייצר מיקרופלסטיק מהונדס בתנאי מעבדה המדמה בזמן יחסית קצר את הליך התפרקותו בסביבה.  

המחקר נערך בהובלת ד"ר אינס צוקר מבית הספר להנדסה מכנית ובית הספר פורטר ללימודי הסביבה באוניברסיטת תל אביב ובשיתוף החוקרים ד"ר עמית קומאר-סארקאר והדוקטורנט אנדריי איתן רובין. המחקר פורסם בכתבי העת היוקרתיים: : Science of the Total Environment ו-Environmental Science and Technology.

המיקרופלסטיק נמצא כמעט בכל מקום, בקופסאות האוכל ובתרופות שלנו, בגינה הציבורית, בצעצועים של הילדים, בבקבוקי שתיה, בבגדים, במחשבים, בטלפונים הניידים ועוד. החוקרים מסבירים שכיוון שהפלסטיק אינו חומר טבעי, הוא מתפרק לאט מאד בטבע בתהליך שנמשך לעתים אלפי שנים. במסגרת תהליך זה, הפלסטיק מתחלק לחלקיקים קטנים יותר ויותר בסקאלה מיקרונית ואף ננומטרית. הבעיה היא שלאורך התהליך, חלקיקי המיקרופלסטיק פוגשים חומרים אחרים טבעיים ולא טבעיים, ומתבלים באופן שונה, כך שבסופו של תהליך לכל אחד מהחלקיקים יש תכונות ומאפיינים שונים. כך למשל, פלסטיק שמתבלה באנטרקטיקה יהיה שונה מכזה שמתבלה במזרח התיכון ואילו פלסטיק שמשמש ליצירת כלים חד פעמיים יתפרק אחרת מפלסטיק שמשמש לאריזות. בליל המיקרופלסטיקים והעובדה שאין חלקיק אחד שזהה למשנהו מקשה מאוד על חוקרים רבים בעולם בקביעה באשר להשלכות הסביבתיות השונות.

בתמונה: מיקרופלסטיק

במסגרת הפיתוח החדש, החוקרים יצרו למעשה מיקרופלסטיק מהונדס שמדמה בצורה מואצת את הבלייה שעובר הפלסטיק בסביבה. הפלסטיק נטחן לחלקיקים גסים ולאחר מכן נחשף לסדרה של תהליכי פירוק בתנאי מעבדה כמו חשיפה לחום, לקרינה אולטרה סגולה, לפירוק מכאני אגרסיבי ועוד, עד שלבסוף מתקבלים מיליוני חלקיקי פלסטיק בגודל של כ-1 מיקרון, שהם זהים לגמרי בגודלם, בסוג הפלסטיק מהם מורכבים, בתכונות פני השטח שלהם, ובצורתם. 

"המטרה שלנו הייתה לייצר מיקרופלסטיק סביבתי בתנאי מעבדה ובטווחי זמן קצרים שיכול לשמש לאינספור מבחנים שיגידו לנו אחת ולתמיד האם – ובאיזה אופן – מיקרופלסטיק מסוכן לאדם ולסביבה" - אומרת ד"ר צוקר. "מדובר בשיטה שמהווה בסיס ליצירת הרבה סוגים של מיקרופלסטיק, בגילאים שונים ומחומרים שונים, כך שאפשר לבודד ולבחון את ההשפעה של פרמטרים שונים, כמו הגודל וסוג הפלסטיק. המטרה היא שחוקרים בישראל ובעולם שעוסקים בהשפעות השליליות של מיקרופלסטיק על הסביבה יוכלו לקבל מיקרופלסטיקים מהונדסים ונשלטים שהרבה יותר דומים למה שאנחנו רואים בסביבה מהמודלים הקיימים כיום".

ניסויי המשך ראשוניים שנעשו בתרביות תאים ע"י צוות המחקר, הראו כי מודל הפלסטיק שפותח במעבדה אכן רעיל יותר בטווח הריכוזים שנבדק מול מודל הכדוריות פלסטיק שנמצא בשימוש רחב היום. כבר בשלב זה, החוקרים עובדים על בחינה של המודל החדש בתאי אדם, בצמחים ובבעלי חיים ימיים ומקווים כי בקרוב הערפל סביב שאלת הרעילות של המיקרופלסטיק יוכל להתחיל להתפוגג.

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

במעבדה למכניקה חישובית וביומכניקה ניסויית בבית הספר להנדסה מכנית באוניברסיטת תל אביב מושם דגש על סינרגיה בין עולם התוכן ההנדסי ויישומים קליניים, לצד מחקרים אנליטיים ופיתוח תוכנה הנדסית. פרופ' זהר יוסיבאש ראש המעבדה ומשמש נשיא האיחוד הישראלי לשיטות חישוביות במכאניקה, נחשב כמומחה בינלאומי באנליזות וניסויים בעצמות ומכניקת השבר, ומקדם שיתוף פעולה עם רופאים ליישום הידע והמחקר במעבדה לשיפור הטיפול בחולים.

במעבדה של פרופ' יוסיבאש פותחה תוכנה שמנתחת סריקת סיטי של מטופל ויוצרת הדמיית מחשב של התגובה המכאנית של עצמות בגוף האדם (כאמור עצמות ירך, עצמות זרוע, חוליות עמוד שדרה ועצמות כף הרגל) תוך כדי הפעלה של כוחות פיסיולוגיים. תוצאות הסימולציות אומתו ע"י ניסויים בעצמות של תורמים. מחקרים אלו בוצעו ומבוצעים ע"י סטודנטים למחקר לקראת תארים מתקדמים: דר' ניר טרבלסי, דר' רומינה פליטמן, ודר' לעתיד לבוא יקותיאל כץ וגל דהן. היכולות שפותחו נועדו לסייע לדוגמה בתכנון משתלים כתוצאה משברים (איור 1 מתאר ניסוי והדמייה ממוחשבת של עצם עם משתל).

אחד מתחומי המחקר המובילים במעבדה שהגיעו ליישום קליני הוא חיזוי שברים בעצמות ירך עם גרורות סרטניות. מחקר פורץ דרך במימון משרד הבריאות שבוצע במעבדה לפני עשור נועד להעריך את הסיכון לשבר בעצמות עם גרורות. בהתבסס על הצלחת המחקר יושם שימוש באלגוריתמים של אינטליגנציה מלאכותית ושיטות חישוביות במכניקה, פותחה מערכת ממוחשבת מותאמת אישית למטופל המספקת לרופא את רמת הסיכון לשבר ועוזרת למנתח האורתופדי אונקולוגי לקבל החלטה אם נדרש ניתוח מניעתי בחולים אלו. המערכת שפותחה עם דר' ניר טרבלסי ממכללת סמי שמעון, עברה ניסויים קליניים רטרוספקטיביים ויכולות החיזוי אומתה בחולים באופן מאוד מוצלח בהובלתו של דר' אמיר שטרנהיים, ראש היחידה הלאומית לאורתופדית אונקולוגית בביה"ח איכילוב.

כיום המערכת הממוחשבת מסייעת לחיזוי שברים עתידיים ומניעתם על רקע גרורות בעצם ומותקנת בבית החולים איכילוב ביחידה הלאומית לאורתופדיה אונקולוגית. טכנולוגיה זו מאפשרת דיוק והתאמה אישית לחיזוי סיכון לשבר ומיקומו ומובילה מהפכה אמיתית בעולם הרפואה!. המערכת קיבלה אישור רגולטורי של האיגוד האירופי CE ואמ"ר ממשרד הבריאות ומהווה פריצת דרך בעידן הרפואה המותאמת אישית.

איור 2: פרופ' יוסיבאש מכין עצם ירך לניסוי

לינק לכתבה ב TheMarker: https://www.themarker.com/labels/orthopedics/1.9508059

​אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

ד"ר אינס צוקר מבית הספר להנדסה מכנית ומבית הספר פורטר ללימודי סביבה ומנהל המעבדה ZuckerLab, ד"ר ינון יחזקאל, אינם ממתינים לירידה בתחלואה ולוקחים חלק במאבק במגפת הקורונה. בימים כתיקונם, השניים מפתחים חומרים ותהליכים לטיפול בסביבה. בין השאר, הם משתמשים באוזון לפירוק מזהמים במים. "אנו מפיקים אוזון מחמצן גזי בעזרת התפרקות חשמלית, ומגיעים לריכוזי אוזון גבוהים בגז, שבדרך-כלל משמשים אותנו לחמצון של כימיקלים במים – וכעת, גם לקטילה של יצורים חיים", מסבירה ד"ר צוקר.

האוזון בעיקר מוזכר בהקשר של שכבת ההגנה שהוא יוצר בסטרטוספירה (השכבה האמצעית באטמוספירת כדור הארץ), המגנה עלינו מפני קרינה אולטרה סגולה - UV - מסוכנת הנמצאת באור השמש. ככלל, אוזון נחשב כגז רעיל וכשנוצר בסמוך לפני הקרקע, הוא עלול להשפיע לרעה על הבריאות ולכן נחשב כמזהם אוויר. אולם, ניתן גם להשתמש ביכולות החמצון של האוזון להסרת מזהמים בסביבה באופן בטוח לשימוש בעזרת תכנון הנדסי יעיל. כעת, ד"ר אינס צוקר וצוות המעבדה שלה הוכיחו גם את הפוטנציאל של האוזון הגזי לחיטוי חללים מנגיף הקורונה במהירות וביעילות.

ד"ר צוקר חברה לד"ר משה דסאו מהפקולטה לרפואה בבר אילן ויחד עם ד"ר יעל לצטר ממכללת עזריאלי בירושלים, הצליחו להראות את הפוטנציאל של אוזון גזי לחיטוי חללים מנגיף הקורונה במהירות וביעילות. ממצאי המחקר הראשוני פורסמו היום בג'ורנל Environmental Chemistry letters.

היתרון של אוזון גזי אל מול המחטאים הנפוצים (כמו אלכוהול ודומיו), הוא היכולת לפעול לחיטוי כלל החפצים והאויר בחדר ולא רק על-פני משטחים גלויים. 

בתמונה מימין לשמאל: ד"ר יואל אלטר, ד"ר משה דסאו, ד"ר ינון יחזקאל, וד"ר אינס צוקר

בין השאר, החוקרים הצליחו למצוא מודל לוירוס שהוא בטוח לשימוש ואינו מדבק, שיכול לשמש להמשך עבודתם על קטילת הוירוס בעזרת אוזון. "הדרך לפיתוח מתקן נוח לחיטוי חללים בעזרת אוזון נסללה, וכעת אנו ממשיכים את עבודתינו כדי לבחון את התנאים האופטימליים לחיטוי משטחים ואירוסולים בעזרת אוזון", מסכמת ד"ר צוקר.

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון