מחקרים

RESEARCH

מה מעניין אותך?

כל הנושאים

חדשות המחקרים

carousle news research: 
תמונת באנר: 
בחר את סוג הלובי: 
מחקרים
אולטרה סגול

מחקר

29.12.2020
קטילה של וירוס הקורונה בעזרת נורות של לדים בתחום האולטרה-סגול

מאמרה של פרופ' הדס ממן, ראשת התכנית להנדסת סביבה בשיתוף עם פרופ' יורם גרשמן ביוכימאי ממכללת אורנים, ד"ר מיכל מנדלבוים מנהלת המרכז הלאומי לשפעת ונגיפי נשימה בתל השומר ונחמיה פרידמן מתל השומר התקבל ופורסם ב - Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology

 

  • מחקר
  • הנדסת סביבה
  • הנדסה מכנית

עם העליה העולמית במגפת הקורונה (COVID-19) הנובעת מוירוס הקורונה עולה גם הצורך לפתח ולהדגים טכנולוגיות חיטוי חדשניות לצורך קטילה של נגיפים אלה.

 

איך נדבקים בוירוס? 

הוירוס שמהווה הגורם הסיבתי של המחלה COVID-19 (SARS-CoV-2) מדבק לא רק באמצעות טיפות נשימתיות (אירוסולים), אלא יכול להתפשט גם דרך משטחים מזוהמים מריריות האף, הפה והעיניים. יתר על כן, לאחרונה הוצע כי יתכן פיזור אווירני של SARS-CoV-2, אם כי טרם הובאו ראיות ברורות להעברה כזו. לאחרונה הודגמה גם יכולתו של הוירוס לשרוד באירוסולים במשך 3 שעות לפחות ועד 72 שעות על משטחי פלסטיק, דבר המצביע על סיכון לזיהום ארוך טווח.

 

פיתוח מהפכני לקטילת הוירוס

הקרנה באור אולטרה-סגול ultraviolet היא שיטה נפוצה לקטילה של מיקרואורגניזמים פתוגניים (גורמי מחלות), כולל וירוסים. קטילה על ידי אור אולטרה-סגול עלולה להתרחש באמצעות כמה מנגנונים, ביניהם פגיעה בחומצות גרעין, חלבונים או ייצור פנימי של רדיקלים של חמצן.

 

"במחקר שביצענו נמצא ששילובי UV-LED באורכי גל שונים משפרים את יעילות הקטילה ומונעים התאוששות של מחוללי מחלות במים על ידי הפעלת מספר רב של מנגנוני נזק. שיטת חיטוי זו נמצאה יעילה עבור נגיפים וחיידקים רבים כגון: אדנווירוס, פוליו-וירוס, איקולי כולל SARS-COV-1" מסבירה פרופ' ממן. 

 

מנורות ה- UV הסטנדרטיות מכילות כספית, ולכן מנסים לחפש אלטרנטיבות. נורות לדים (דיודות פולטות אור אוlight emitting diodes), מהוות מקור אור חדש עם יתרונות רבים.

בשל גודלן הקטן, זמן תפעול מידי ודרישת מתח נמוכה נורות הלד מאפשרות  הפעלה באמצעות סוללה או פאנל סולארי. עם זאת לנורות אלה שטף פוטונים נמוך וככל שיורדים באורך הגל  מחיר הנורות עולה. מגבלות אלה הופכות את השימוש בנורות באורכי גל גבוהים יותר אטרקטיביות יותר. עד כה אף מחקר לא בדק את יעילות נורות לדים באורכי גל שונים על קטילה של נגיפי קורונה אנושיים. קבוצת המחקר השתמשה בווירוס הקורונה האנושי  (HCoV-OC43)לבחירת האורך גל האפקטיבי ביותר.

 

ממצאי המחקר והמשך פיתוח

קבוצת המחקר מצאה כי לאורך גל של 280 ננומטר יעילות קטילה יחסית דומה ל- 260 ננומטר, כאשר מנת קרינה של 10 mJ/cm2 מושגת בפחות מחצי דקה ומתקבל מעל 99.9 אחוז קטילה. התוצאות הללו משמעותיות כי העלות של לדים ב- 280 ננומטר נמוכה בהרבה משל כאלו באורכי גל נמוכים יותר, והן יותר זמינות בשוק, ולכן מתאפשר שילוב של נורות כאלה לצורך חיטוי מים, משטחים, שילוב עם מזגנים לחיטוי אוויר וכד'. בנוסף, החוקרים יתחילו בקרוב מחקר עם פרופ' קלארק מאוניברסיטת נורת ווסטרן בארה"ב לפיתוח של משטחי מגע high touch screen עם קטליסט שקוף משופעל בנורות לדים בתחום האור הנראה לקבלת משטחים עם יכולת חיטוי עצמי.

התמונה מראה את היעילות של נורות לדים לחיטוי וירוס הקורונה האנושי

התמונה מראה את היעילות של נורות לדים לחיטוי וירוס הקורונה האנושי

 

צוות החוקרים מאחורי הפיתוח

המחקר בוצע במשותף עם פרופ' יורם גרשמן ביוכימאי ממכללת אורנים, ד"ר מיכל מנדלבוים מנהלת המרכז הלאומי לשפעת ונגיפי נשימה בתל השומר, נחמיה פרידמן מתל השומר, ופרופ' הדס ממן, ראשת התוכנית להנדסת סביבה בבית הספר להנדסה מכנית, אוניברסיטת תל אביב. המאמר התקבל ב Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology.

 

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

תרשים של הפעולה

מחקר

02.12.2020
מטא-חומרים טופולוגים מכנים פורצים את מגבלות החוק השלישי של ניוטון

המחקר פורסם בכתב העת היוקרתי:
​"Physical Review Letters"

  • מחקר
  • הנדסה מכנית

 

מאמרם של ד"ר לאה ביילקין-סירוטה ופרופ' יאיר שוקף מבית הספר להנדסה מכנית בשיתוף עם ד"ר רוני אילן וד"ר יואב לחיני מבית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה פורסם בכתב העת היוקרתי Physical Review Letters

​שינוי נקודת מבט יכול לחולל פלאים. זה נכון במיוחד כאשר מדובר בהבנת תכונות של חומרים באמצעות טופולוגיה, "רעיונות המחוללים מהפכה בפיזיקה של חומר מעובה", לדבריה של ד"ר רוני אילן מבית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה באוניברסיטת תל אביב. טופולגיה והשפעתה על תכונות פיזיקליות של חומר הוא תחום מחקר, אשר צבר תאוצה בפיזיקה של חומר מעובה. לאחרונה רעיונות אלו התפשטו לתחומים נוספים, כולל אופטיקה ופוטוניקה, כמו גם אקוסטיקה ומערכות מכניות אחרות, בהן קיימות עוד מורכבויות.

 

גלים במערכות מכניות יכולים לספק תובנות לגבי הפעולה של מערכות קוונטיות, כולל תופעות טופולוגיות. אולם, בנסיון לממש חלק מתופעות אלו חוקרים נתקלו במחסום בדמות החוק השלישי של ניוטון, אשר קובע שכל פעולה חייבת לגרור תגובה נגדית שווה בגודלה ומנוגדת בכיוונה. קיימות תופעות קוונטיות שיישום שלהן באנלוגיה מכנית דורש שבירה של ההופכיות הזו. כעת, חוקרים מאוניברסיטת תל אביב מצאו דרך ליישם התנהגות לא ניוטונית במערכות מכניות, ובכך לפתח אנלוג מכני לתופעות טופולוגיות קוונטיות מורכבות. הישג זה עשוי לספק תובנות חדשניות גם לגבי מערכות מכניות וגם לגבי מערכות קוונטיות, אשר הטופולוגיה מכתיבה את התנהגותן.

 

צוות החוקרים שילב מומחיות ממספר תחומים שונים – המומחיות של ד"ר רוני אילן בתיאוריה של מצב מוצק, של פרופ' יאיר שוקף – מבית הספר להנדסה מכנית - בחומר מעובה רך, של ד"ר יואב לחיני - מבית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה - בפוטוניקה טופולוגית ומערכות מורכבות, ולבסוף, החוליה החסרה שאיחדה הכל, הרקע של ד"ר לאה ביילקין-סירוטה - מבית הספר להנדסה מכנית - בתורת הבקרה. "איכשהו כולנו התכנסנו כשלאה הגיעה, והתחלנו לדבר על הדברים האלה", אומר לחיני.

 

שבירת סימטריות

הקשיים המופיעים כשמנסים לתכנן אנלוגיות מכניות למערכות קוונטיות קשורים לשבירת סימטריה. במערכות ששוברות סימטריה מרחבית, הדבר יכול לבוא לידי ביטוי בכך שכוחות האינטראקציה בין רכיבי המערכת הם שונים עבור כיוונים שונים, בדומה למה שקורה למשל באפקט הול הקוונטי. יישום תופעות כאלה במערכות מכניות הוא די טבעי, מכיוון שכדי לשבור סימטריה מרחבית אפשר פשוט לשחק עם הגיאומטריה. אבל שבירת סימטריה בזמן, הדרושה למימוש תופעות טופולוגיות מסוימות, מתבררת כסיפור הרבה יותר מורכב.

 

ברמה המיקרוסקופית, מכניקה היא הפיכה בזמן - אם נצלם שני חלקיקים שנעים זה לקראת זה ומתנגשים, ואז נריץ את הסרט אחורה, עדיין נקבל התנהגות שנראית הגיונית מבחינה פיזיקלית של שני חלקיקים שנעים זה לקראת זה ומתנגשים. אולם, התופעות הקוונטיות שמופיעות למשל כתוצאה מאינטראקציה עם שדה מגנטי, שוברות את הסימטריה הזו. עכשיו, אם נריץ את הסרט אחורה, נקבל משהו שמתאר דינמיקה אשר אינה סימטרית להיפוך בזמן. תרגום של תופעות כאלה למערכת מכנית דורש חוסר הופכיות, שמשמעה שכבר אין תגובה שווה לכל פעולה, וזה משהו שמערכות מכניות פשוט לא עושות באופן טבעי.

 

"אנשים עקפו את המחסום הזה בדרכים מורכבות, כמו למשל על ידי ייצור זרימות סיבוביות, שילוב סביבונים מסתובבים, או מורכבויות אחרות שבסופו של דבר מדמות ספינים במערכות קוונטיות", מסביר שוקף. הבעיה היא שהוספת סביבונים או כל דבר מסתובב אחר למשהו שאין בו סיבוב במערכת הקוונטית מוסיפה דרגות חופש שלא קיימות במערכת אותה אנו רוצים לדמות. כך שלמרות שמבחינות מסוימות המערכת מגיבה כמו המערכת הקוונטית הלא הופכית, קשה להימנע מתופעות לוואי לא רצויות הנובעות מדרגות החופש הנוספות האלה. כאן, למומחיות של ד"ר ביילקין-סירוטה בתורת הבקרה היתה יתרון עצום.

 

אינטראקציות וירטואליות

כפי שד"ר ביילקין-סירוטה מסבירה, תורת הבקרה הוא תחום בהנדסה מכנית, שמשתמש בכלים מתמטים בשביל לתכנן אלגוריתמים שייצרו התנהגות דינמית של מערכות בתגובה לעירור חיצוני. תורת הבקרה מאפשרת לממש התערבויות שקיימות לדוגמא במכוניות חכמות או אוטונומיות. באופן מסורתי כאשר מכוניות מתנגשות, הפגושים של המכוניות סופגים את המכה באופן סימטרי, אולם במכונית חכמה, מצלמה אומדת את המרחק למכונית שלפנינו ומתערבת על ידי הפעלת הבלמים כשאנחנו קרובים מדי. כמו שפרופ' שוקף מסביר, זו כבר דוגמא לאינטראקציה לא הדדית בגלל שאין כאן תגובה שווה והפוכה של המכונית שלפנינו, כפי שהיה קורה אילו הפגוש היה עוצר אותנו. החוקרים הצליחו ליישם עקרונות דומים מתורת הבקרה כדי לתכנן מטא-חומר מכני אקטיבי עם אינטראקציות לא הדדיות בין רכיביו.

 

כדי לממש עקרונות אלו, ד"ר ביילקין-סירוטה וצוות המחקר תכננו מטא-חומר מכני המורכב ממערך מחזורי של משקולות מחוברות הנעות רק למעלה ולמטה, כך שיש רק דרגת חופש אחת לכל משקולת. אולם, במקום שהדינמיקה של המערכת תיקבע על ידי חוקי התנועה של ניוטון, היא נקבעת על ידי בקר הממוקם מעל לכל משקולת. הבקר מודד את המיקום של המשקולות השכנות, מחשב כיצד המשקולת הזו היתה מגיבה אילו היתה ביניהן אינטראקצייה לא הדדית, ואז מפעיל את המשוב החוזר הדרוש בשביל לייצר את התגובה הזו באופן מכני. "החלפנו את האינטראקציות הטבעיות של קפיצים בין המשקולות עם אינטראקציות וירטואליות אם תרצו", אומר ד"ר לחיני, ״ובכך יצרנו תווך אקטיבי לא רגיל המשפיע על גלים מכנים במערכת".

 

סימולציות שהחוקרים ביצעו של מטא-חומר עם בקרה אקטיבית הראו שניתן לדמות באמצעותו את מודל הלדיין, שמתאר את אפקט הול הקוונטי בהיעדר שדה מגנטי, מודל שהיה בלתי אפשרי לממש באמצעות רכיבים מכנים פסיבים. בנוסף, הדבר נעשה "ללא חלקים מסתובבים" כמו שד"ר ביילקין-סירוטה מדגישה, ומוסיפה: "ניתן לממש ככה תופעות טופולוגיות שונות על אותה הפלטפורמה". ואכן, החוקרים הצליחו לממש כמה מודלים קוונטיים שונים עם אתה חומרה, רק באמצעות שינוי של אלגוריתם הבקרה.

בתמונה: תרשים של הפעולה

 

אמנם היו כבר הצלחות במימוש מטא-חומרים אקטיבים במימד אחד, אבל העבודה הנוכחית פורצת דרך במימוש של מטא-חומרים דו-ממדיים עם בקרה אקטיבית. כעת ד"ר ביילקין-סירוטה עובדת על מימוש של מטא-חומר כזה באמצעות גלים אקוסטים, אשר קל יותר לשלוט עליהם, והם עשויים לספק תובנות אינטואיטיביות לגבי מכניקת הקוונטים. במקרה זה, גל קול נע בתווך שבין שני לוחות מקבילים, עליהם ממוקמים מיקרופונים, בקרים ורמקולים, אשר יחד מייצרים אינטראקציות לא הדדיות. למערכת יכולות יישומיות, כמו בידוד אקוסטי או הסתרה אקוסטית. אבל החוקרים מקווים כי האנלוגיה המכנית שלהם תתרום להבנה של מצבים טופולוגיים באופן כללי. "אם דברים מתמפים בדיוק אחד לאחר, זה לא מעניין", אומר פרופ' שוקף. "ברגע שהמיפוי לא מושלם, תופעות חדשות ומענינות מופיעות". ד"ר לחיני מוסיף כי "המערכת המכנית יכולה לשלב באופן נשלט רכיבים רבים שקשה או בלתי אפשרי להשיג אותם במצב מוצק – אינטראקציות, אי-לניאריות, פוטנציאלים דינמים, תנאי שפה שונים, ועוד. מערכות כאלו יאפשרו לנו ללמוד איך טופולוגיה מיתרגמת למצבים חדשים, ולהעמיק את ההבנה של תופעות טופולוגיות".

 

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

ד"ר אינס צוקר והמסטרנט כפיר שפירא

מחקר

01.11.2020
טיפול מבוסס ננו להסרת מזהמים במים

מאמרה של ד"ר אינס צוקר פורסם לאחרונה בכתב העת היוקרתי ACS Applied Materials and Interfaces

 

  • מחקר
  • הנדסה מכנית
  • טיפול במים

ד"ר אינס צוקר פרסמה לאחרונה מחקר פורץ דרך בנושא טיפול מבוסס ננו להסרת מזהמים במים בכתב העת היוקרתי ACS Applied Materials and Interfaces.

 

ד"ר צוקר החלה את מחקרה על שימושים וסיכונים של חומרים ננומטרים דו-מימדיים בהיבט סביבתי במסגרת פוסט הדוקטרט שלה באוניברסיטת ייל. כחוקרת חדשה בבית הספר להנדסה מכנית בפקולטה להנדסה של אוניברסיטת תל אביב, היא מובילה את המעבדה לננוטכנולוגיה סביבתית שבראשותה בפיתוח חומרים מתקדמים לטיפול במים ובחינת הסיכונים הסביבתים הכרוכים בכך הן בשלב ביצור והן לאחר שימוש בהם. 

 

הסרת זיהומי כספית ממים

במחקר הנוכחי, צוקר פיתחה שיטות לגידול מוליבדינום גופרתי (MoS2, molybdenum disulfide) על-גבי מצע של סיבי פחמן, ובחנה את יכולת החומר המרוכב להסיר זיהומי כספית ממים. זיהומי כספית (בעיקר ממקורות תעשייתים) מסוכנים לבריאות האדם והאקוססטמה ויש עניין רב בהסרה סלקטיבית ויעילה שלהם. שיטות הגידול שנבחנו אפשרו קבלת ציפויי MoS2 בצורות, מבנים ועומסים שונים על-גבי הסיבים. לאחר בחירה בשיטה שמאפשרת הסרה מהירה ובטוחה של כספית, הציפויים גם עברו מודיפיקציות כדי למקסם את היכולות ספיחת הכספית על-ידי השתלת 'הפרעות' בזמן גידול שכבת ה MoS2. החומר שפותח יכול לשמש להסרת מזהמים ממים במתקני טיפול בסקאלה נרחבת, משום שהוא בטוח ונוח לשימוש בתצורה המעוגנת שלו על גבי מצע סיבי או אחר. ד"ר צוקר הנחתה את הדוקטורנטית קמרין פאזי באוניברסיטת ייל במחקר זה, והשתיים המשיכו את עבודתן בשלט רחוק לאחר חזרתה של צוקר לישראל.

 

ד"ר צוקר זכתה לאחרונה במימון המשך המחקר במסגרת "ניצוץ קלינטק" של משרד המדע והטכנולוגיה, ויחד עם המסטרנט כפיר שפירא מפתחת כיום מתקן טיפול מולטיפונקציונלי להסרת מזהמים אורגנים ואנאורגנים ממים על בסיס שכבות מוליבדינום דיסולפיד.

 

לינק למאמר 

לינק לכתבה ב Ynet

לינק לציוץ בנושא המאמר

 

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

פיתוח מכונת הנשמה

מחקר

29.10.2020
קוד לאוויר לנשימה

צוות חוקרים מהפקולטה להנדסה אוניברסיטת תל אביב פיתחו כלי תוכנה, עם קוד פתוח למפתחים שיאפשרו לנבא ביצועים של מכונות הנשמה שמחוברות למטופלים במצבים שונים.

  • מחקר
  • נשימה
  • הנדסת חשמל
  • הנדסה מכנית

 

עם פרוץ מגיפת הקורונה התארגנה קבוצה של חוקרים מהפקולטה להנדסה באוניברסיטת תל אביב במטרה לעזור במאמץ המלחמתי. פרופ' אלכס ליברזון מבית הספר להנדסה מכנית וד"ר גדעון שגב מבית הספר להנדסת חשמל מובילים צוות לפיתוח של כלי תוכנה עם קוד פתוח למפתחים שיאפשרו לנבא ביצועים של מכונות הנשמה שמחוברות למטופלים במצבים שונים. מטרת הפרויקט היא לאפשר לקבוצות שמפתחות מכונות הנשמה "ביתיות" לבדוק כיצד המכונה שלהם תעבוד עם חולים ובנוסף לאפשר פיתוח מהיר של מערכות שליטה ובקרה למכונות הנשמה.

 

בקרת זרימת האוויר

כיום מדברים הרבה על ייצור של מכונות הנשמה "פשוטות" או ביתיות. הבעיה העיקרית עם מכונות כאלו היא שאין להן את כל מערכות הבקרה המתוחכמות שיש במכונות ההנשמה הרגילות. לדוגמא, במכונות הנשמה יש מספר חיישנים המאפשרים לשלוט בנפח האוויר שנכנס למטופל בכל נשימה ובלחץ האוויר המינימלי והמקסימלי בריאות שלו. עם זאת, העלות של חיישנים למדידת כמות האוויר שנכנס היא גבוהה וגם קשה להשיג כאלו היום. כתוצאה מכך, במכונות ההנשמה הפשוטות שמציעים לבנות היום, קשה לדעת כמה אוויר המטופל מקבל. "כאן הכלים שאנחנו מפתחים נכנסים. התוכנה שאנחנו פיתחנו מדמה את זרימת האוויר במכונה ובמטופל. היא לוקחת בחשבון פרמטרים כמו המצב הרפואי של המטופל ואת מספר הנשימות שלו בדקה והיא מחשבת את זרימת האוויר והלחץ בכל נקודה במכונה ובריאות של המטופל" מספר ד"ר שגב.

 

מבעיה לפתרון

בעזרת כלי כזה, מפתחים יכולים לתכנן טוב יותר את המערכות שלהם ולהתייחס לבעיות כמו: איך המכונה תעבוד עם מטופלים שונים? כיצד מוודאים שהמכונה מסונכרנת עם הנשימות של המטופל? או האם ניתן להציב חיישנים פשוטים במקומות שונים בשביל להעריך כמה אוויר המטופל מקבל?

 

בשלב הראשון, בנינו תוכנה שמדמה את הפעולה של מערכת המנשמה. מערכת הנמצאת בפיתוח ע"י צוות הכולל מהנדס מערכת, רופא, מהנדס חשמל, מתכנת ומתנדבים נוספים שעוזרים בכל הנדרש: מרדכי חלפון, ד"ר אלעד גרוזובסקי, רונן זילברמן, גיל בכר, עברי שפירא, רועי דרנל, סתיו בר-ששת. המנשמה מיועדת להקל על חולים מונשמים שאינם מורדמים. "יחד עם צוות הפיתוח של המנשמה, ערכנו סידרה של ניסויים שאפשרו לנו לכייל את החישובים שלנו ועל ידי כך לאפשר לתוכנה לנבא כיצד המכונה תעבוד עם מטופלים במצבים שונים. השלב הבא יהיה להתאים את החישובים למערכות שמבוססות על מנשם מסוג אמבו (מין בלון שלוחצים עליו כדי להכניס אוויר לריאות). יש הרבה מאוד אנשים בעולם שעובדים על מכונות מהסוג הזה כך שאנחנו חושבים שתוכנה כזו תוכל לעזור להם בצורה משמעותית" מסביר ד"ר שגב

 

על ה Software

התוכנה שלנו מבוססת על כלי תוכנה סטנדרטיים לתכנון מערכות לזרימת אוויר. היא פותרת את משוואות הזרימה בהינתן המצב של המטופל והפרמטרים של בקרת הנשימה שאנחנו בוחרים. התוצאה של החישוב היא איך הלחץ וזרימת האוויר משתנה  בריאות (או בכל נקודה אחרת במערכת) עם הזמן. ערכנו ניסויים עם ריאה מלאכותית והשווינו את תוצאות הניסוי לחישובים במצבים שונים. היה מאוד יפה לראות שאחת שמכוונים את החישוב, הוא מסוגל לתאר את ביצועי המערכת במגוון רחב של מצבים. מאחר ואנחנו עוסקים רק בחישובי הזרימה, החישוב לא מסוגל לתת מידע על התפתחות המחלה עצמה. עם זאת, חישובים כאלו יאפשרו למפתחים לכוון את מערכות ההנשמה שלהם כך שייצרו את הפרמטרים האופטימאליים עבור כל מטופל ועל ידי כך לשפר את המצב שלו.

 

"מספר המונשמים בארץ הוא די נמוך בהשוואה למדינות רבות בעולם. על כן, לשמחתנו, נראה שלא יהיה בארץ צורך במכונות הנשמה פשוטות. עם זאת, זה ממש לא המצב במקומות רבים בעולם. יש מדינות רבות בעולם השלישי שבכל המדינה יש פחות מעשר מכונות הנשמה. במדינות כאלו יש חוסר קיצוני במכונות הנשמה גם בימים שבשגרה ועל אחת כמה וכמה עכשיו עם התפרצות מגפת הקורונה. אנחנו מקווים שהפעילות שלנו תוכל לעזור במשהו בכל המקומות האלו" מסכם ד"ר שגב

 

לינק קישור לתוכנהhttps://osf.io/befqm/

 

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

עדשה

מחקר

12.10.2020
לעקם את משולש החשיפה

מאמרו של הדוקטורנט שי אלמלם, התפרסם השבוע בכתב העת היוקרתי ""Optica של ה-OSA בנושא: "תיקון טשטוש הנובע מתנועה באמצעות קידוד מפתח מרחבי-זמני".

  • מחקר
  • הנדסת חשמל

הדוקטורנט שי אלמלם, בהנחיה משותפת של פרופ' עמנואל מרום ז"ל וד"ר רג'א ג'יריס, מבית הספר להנדסת חשמל של הפקולטה להנדסה באוניברסיטת תל אביב , פרסמו השבוע מאמר בכתב העת היוקרתי ""Optica של ה-OSA בנושא: "תיקון טשטוש הנובע מתנועה באמצעות קידוד מפתח מרחבי-זמני".

 

האתגר הגדול

בשנים האחרונות השימוש במצלמות נהיה חלק אינטגרלי מחיי היום-יום וניתן למצוא אותן משולבות בטלפונים ניידים, מחשבים, מערכות אבטחה וכו׳. ישנה הערכה הגורסת כי בעולם יש כיום יותר מצלמות מבני-אדם. כדי לצלם תמונה טובה, דרוש כי עוצמת אור גדולה תגיע לחיישן. כדי להגדיל את עוצמת האור ניתן להגדיל את מפתח העדשה, אך המחיר של הגדלה זו הוא הקטנה של עומק השדה, וכתוצאה מכך טשטוש של עצמים שאינם במישור המוקד (שאינם ב'פוקוס'). פתרון אפשרי אחר הוא להגביר (אלקטרונית) את האות שהגיע לחיישן, אך הגברה זו תוסיף רעש ויזואלי לתמונה. האפשרות השלישית היא להגדיל את זמן הצילום (מכונה גם זמן החשיפה), וכך יגיע יותר אור לחיישן. מאידך, בזמן חשיפה ארוך ייתכן שתתרחש תנועה, בין אם של העצמים אותם אנחנו מצלמים (תמונה 1) ובין אם של המצלמה עצמה (תמונה 2), מה שיגרום למריחה ולירידה באיכות התמונה.  

תמונה 1: מריחה כתוצאה מתנועה של העצם המצולם תוך כדי החשיפה 

 

תמונה 2: מריחה כתוצאה מתנועה של המצלמה תוך כדי החשיפה

 

המפתח הוא באיזון

כדי לצלם תמונה איכותית נדרש לאזן את 'משולש החשיפה' (מפתח, זמן חשיפה והגבר), ואיזון זה הינו אתגר יסודי בצילום. השימוש הרווח במצלמות בימינו מכתיב דרישות מורכבות על התכנון שלהן, כיוון שמצלמות נדרשות להשיג ביצועים מצוינים מחד, ומאידך להיות קטנות וזולות ככל שניתן. בשיטות התכנון המקובלות, דרישות אלו הן דרישות סותרות.

 

פיצוי על הטשטוש

כדי להשיג ביצועי צילום טובים במצלמות קטנות וזולות, ניתן לעקוף את אילוצי משולש החשיפה ע״י צילום תמונות בצורה לא קונבנציונלית, ולאחר מכן ביצוע תיקון בתהליך עיבוד תמונה מתקדם. במאמר שפורסם לאחרונה בכתב העת Optica, שיטת תכנון כזו הודגמה כדי לפצות על טשטוש כתוצאה מתנועה, ע"י קידוד מרחבי-זמני של המריחה בצבעים שונים.

 

במסגרת המחקר בקבוצה, פותחה שיטת תכנון למצלמה הכוללת תכנון משולב של האופטיקה ושל אלגוריתם עיבוד התמונה בתהליך יחיד, מקצה לקצה (End-to-End), ע"י שימוש בכלים של למידה עמוקה (Deep Learning). בשיטה זו, המערכת נבחנת כיחידה אחת, וכלל דרגות החופש (פיזיות- באופטיקה, ודיגיטליות- באלגוריתם העיבוד) מנוצלות בתהליך התכנון כדי להשיג את המטרה הרצויה. שיטה זו הודגמה במאמרים קודמים לפיתוח מצלמת All-in-focus וכן למצלמה שמאפשרת מדידת מרחק מתמונה בודדת (עבודה זו זכתה ב-2018 במקום הראשון בתחרות סטודנטים של ה-OSA שכותרתה הייתה “The Optical System of the Future”).

 

במסגרת המחקר הנוכחי, בוצע תהליך תכנון משולב של העדשה ותהליך רכישת התמונה, והן של תהליך עיבוד התמונה הגולמית, במטרה לבצע תיקון לטשטוש כתוצאה מתנועה. מטרת התכנון היא 'לשתול' בתמונה הגולמית רמזים לנתוני התנועה, מה שיאפשר לבצע בתהליך עיבוד התמונה תיקון של המריחה שנוצרה כתוצאה מהתנועה. הרמזים נשתלים ע"י שני רכיבים אופטיים: לוחית שקופה שמשולבת בעדשה רגילה, ועדשת מיקוד (פוקוס) אלקטרונית. הלוחית מכילה מבנה מיקרומטרי שמתוכנן לייצר תלות בין צבע למיקוד. עדשת המיקוד מתוזמנת כך שתבצע שינוי מיקוד הדרגתי תוך כדי הצילום, וכתוצאה מכך המריחה של עצמים נעים נצבעת בצבעים שונים לאורך התנועה (תמונות 3,4). קידוד הצבעים נותן הכוונה חזקה לאלגוריתם העיבוד על כיוון ומהירות התנועה, מה שמאפשר תיקון של המריחה ושחזור תמונה חדה. השיטה הודגמה באמצעות אבטיפוס שמבוסס על מצלמה מסחרית, ששולבו בה לוחית הפאזה ועדשת המיקוד האלקטרונית. המערכת השיגה שיפור משמועתי בביצועי הצילום יחסית לשיטות קיימות שמתבססות על עיבוד תמונה בלבד (תמונה 5), והן ביחס לשיטות אחרות שמבצעות שינוי באופטיקה בשילוב עם עיבוד מותאם.

תמונה 3: תרשים זרימה של התהליך (התמונה מתוך המאמר)

 

תמונה 4: הדגמה לקידוד תנועה-צבע: צילום של נורית לבנה בתנועה עם המצלמה שפותחה. הקידוד משתנה תוך כדי החשיפה, כך שהנורה הלבנה נקלטת בצבעים שונים לאורך התנועה שלה, וסדר הצבעים והמרחק ביניהם נותן אינדיקציה לכיוון ומהירות התנועה (התמונה מתוך המאמר).

 

תמונה 5: צילומים של תמונה שמסתובבת תוך כדי החשיפה והשוואת ביצועים: משמאל: תוצאת המצלמה שלנו. מימין: צילום במצלמה רגילה וניסיון שחזור של הטשטוש עם אלגוריתם מבוסס למידה עמוקה (התמונה מתוך המאמר).

 

מאחורי העדשה

כאמור, המחקר בוצע ע"י הדוקטורנט שי אלמלם, בהנחיה משותפת של פרופ' עמנואל מרום ז"ל וד"ר רג'א ג'יריס. בצער רב, פרופ' מרום נפטר במהלך העבודה, והמאמר שפורסם מוקדש לזכרו. פרופ' מרום היה ממקימי הפקולטה להנדסה, שימש כדקאן הפקולטה בשנים 1980-1983, ובתפקידו האחרון היה סגן נשיא האוניברסיטה בשנים 1992-1997. לאחר פרישתו המשיך לעסוק במחקר פעיל ולהנחות סטודנטים לתארים מתקדמים, עד יומו האחרון.

 

 

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

 

 

 

 

פרופ' נעם אליעז

מחקר

24.09.2020
פרופ' נעם אליעז נבחר כחבר בכיר באקדמיה הלאומית לממציאים בארה"ב

זכה במעמד על הישגיו פורצי הדרך בפיתוח פטנטים וטכנולוגיות חדשניות

  • מחקר
  • מדע והנדסה של חומרים

פרופ' נעם אליעז מהמחלקה למדע והנדסה של חומרים בפקולטה להנדסה באוניברסיטת תל אביב נבחר לחבר האקדמיה הלאומית לממציאים, ארה"ב (National Academy of Inventors).

 

לאחרונה, הודיעה הנהלת האקדמיה על בחירתם של 38 חברים בכירים חדשים, כהוקרה על הישגיהם פורצי הדרך בפיתוח פטנטים וטכנולוגיות בעלות השפעה רבה על החברה והתעשייה בעולם. פרופ' אליעז הוא החוקר הישראלי היחיד, ולמעשה החוקר היחיד מחוץ לארה"ב, שנבחר אי פעם כחבר בכיר באקדמיה האמריקאית, המונה 189 חברים בכירים.

 

פרופ' אליעז ייסד את המחלקה למדע והנדסה של חומרים בפקולטה להנדסה. לדבריו, לסטודנטיות ולסטודנטים בקבוצת המחקר שלו ולעמיתיו למחלקה יש תרומה חשובה להצלחה, שמתווספת להישגים ולהכרה הבינלאומית של המחלקה הצעירה. "זה כבוד גדול עבורי להיות חבר בקהילה האקדמית הבכירה של הממציאים בארה"ב," הודה פרופ' נעם אליעז לחברות ולחברי האקדמיה האמריקאית. "כממציאים וכיזמים תפקידנו הוא לחפש כל הזמן את האתגר המקצועי הבא ולפתח את ההמצאה פורצת הדרך החדשה, לטובת החברה והטכנולוגיה. זו פעם ראשונה שישראלי נבחר במעמד חבר בכיר לאקדמיה, ואני מקווה שבכך תיפתח הדלת לחוקרים ישראליים נוספים להשתלב כחברים בכירים". לאקדמיה נבחרו במהלך השנים למעלה מ-1000 חברות וחברים במעמד עמית/ה, כולל מחוץ לארה"ב, ובהם שלושה ישראלים.

 

מוזמנים להקליק לכתבה ב ynet ולכתבה באתר אוניברסיטת תל אביב

 

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

יאיר שוקף

מחקר

24.09.2020
לגזור את הקרח

תופעות פיזיקליות לרוב מתנהגות באופן שונה במימדים שונים. אולם, האם ניתן לגרום למערכת דו-ממדית להתנהג כמו בשלושה מימדים? 

  • מחקר
  • הנדסה מכנית
  • קרח קולואידי
  • קרח מלאכותי
  • עיוות קרח מלאכותי דו-ממדי

פרופ' יאיר שוקף מבית הספר להנדסה מכנית יחד עם שותפיו מאוניברסיטת תל אביב ואוניברסיטת ברצלונה מסבירים במאמר שהתפרסם בכתב העת המדעי Physical Review Letters​ כיצד ניתן לגרום למערכת דו-ממדית להתנהג כמו בשלושה מימדים. 

 

חוקרים מהפקולטה להנדסה באוניברסיטת תל אביב יחד עם חוקרים מאוניברסיטת ברצלונה הציגו לאחרונה דרך לעוות קרח מלאכותי דו-ממדי, אשר מעניקה לו חלק מהתכונות של קרח טבעי תלת-ממדי. לקרח תלת-ממדי העשוי ממים קפואים יש הרבה סידורים מרחביים של המולקולות המרכיבות אותו, אשר לכולם אותה רמת אנרגיה, לכן המערכת מנוונת, ותמיד תהיה קיימת בה רמה מסוימת של אי-סדר. למקבילה הדו-ממדית שלו, קרח ריבועי, אין ניוון כזה. החוקרים שילבו ניסויים, תיאוריה וסימולציות נומריות על מנת לייצר קרח מלאכותי דו-ממדי העשוי מחלקיקים קולואידים בגודל של כמיקרומטר. כאשר מעוותים את הגיאומטריה שלו בצורה של גזירה, לקרח הקולואידי הזה יש שני סידורים מרחביים שונים של החלקיקים, אשר להם אנרגיות דומות מאוד, דבר זה מייצר באופן אפקטיבי ניוון במערכת.

 

אולם ניוון זה מגיע עם מחיר: שני הסידורים האלה הקרובים מאוד באנרגיה לא יכולים להתקיים ביחד, אלא אם כן הם מחוברים זה לזה באמצעות פגמים טופולוגים, להם אנרגיה גבוהה יותר, ואשר דורשים שינויים מבניים ארוכי-טווח על מנת שיהיה אפשר למחוק אותם.

 

בתמונה: ניסוי (שמאל) ותיאוריה (ימין) של חלקיקים מיקרומטריים במערך של מלכודות מוארכות המסודרות על סריג ריבועי גזור (מקור: האגודה האמריקאית לפיזיקה).

 

המחקר התפרסם בכתב העת Physical Review Letters ב-12 ביוני 2020 והוא תוצאה של עבודתם של:

- הדס שם-טוב וד"ר ארדל אוגוז בקבוצה של פרופ' יאיר שוקף  מבית הספר להנדסה מכנית באוניברסיטת תל אביב 
- אריק בביה-סולר וד"ר אנטוניו אורטיז-אמבריז בקבוצה של פרופ' פייטרו טיירנו במחלקה לפיזיקה של חומר מעובה באוניברסיטת ברצלונה.

 

הקליקו למאמר המלא

 

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

קובייה מתכתית

מחקר

22.07.2020
המהוד האופטי הקטן בעולם לקרינה אינפרא-אדומה

ד"ר איתי אפשטיין, יחד עם חוקרים מספרד, ארה"ב, פורטוגל וצרפת, הצליחו לבנות מהוד אופטי אשר מסוגל לדחוס קרינה אינפרא-אדומה לחלל הקטן פי מיליארד מנפחה הרגיל

  • מחקר
  • הנדסת חשמל

בדומה להקטנת גודלם של מעגלים אלקטרוניים, המאפשרים טכנולוגיות כמו מחשבים וסמארטפונים, השאיפה ליצור טכנולוגיה עתידית המבוססת על מעגלים ושבבים אופטיים מונעת גם היא ע"י הצורך במזעור. יחד עם זאת, מזעור זה כרוך באתגרים ובמכשולים חדשים שיש להתגבר עליהם, כמו שליטה והולכה של אור בסקלת הננומטר. לאור זאת, טכניקות חדשות מפותחות כל הזמן אשר מטרתן לדחוס את האור לחללים זעירים במיוחד - קטנים פי מיליונים מאורך הגל של האור ומתחת לגבול הדיפרקציה, שמסמל את הגודל או הנפח הקטן ביותר אליו ניתן לדחוס גלי אור. דבר זה קשה במיוחד בתחום הספקטראלי של קרינה אינפרא-אדומה, מכיוון שהיא מאופיינת ע"י אורכי גל גדולים, בסקלות של עשרות עד מאות מיקרומטרים.

 

גלים פלזמונים בגרפן

גרפן - חומר דו-ממדי הבנוי משכבה אחת של אטומי פחמן - משלב תכונות אופטיות וחשמליות יוצאות דופן. גרפן מסוגל להנחות אור בצורה של "גלים פלזמונים", שהם תנודות של אלקטרונים המצומדות לשדה האלקטרומגנטי של האור. לפלזמונים (יחידת אנרגיה של תנודות בפלזמה) אלו יכולת טבעית לדחוס אור לחללים קטנים מאוד. עם זאת, עד עכשיו ניתן היה ​​לדחוס את הפלזמונים הללו בצורה המוגבלת לסקלות מיקרומטריות, בעוד שיכולתו של האור לבצע אינטראקציה עם חלקיקים קטנים, כמו אטומים ומולקולות, תלויה ביכולת לדחוס אותו לחללים בסקלות הרבה יותר קטנות. סוג זה של דחיסה נחשב בדרך כלל למהוד אופטי.

 

סוג חדש של מהוד אופטי

כעת, במחקר שהוביל ד"ר איתי אפשטיין, איש סגל חדש במחלקה לאלקטרוניקה פיסיקלית בבית הספר להנדסת חשמל בפקולטה להנדסה, אשר בוצע כחלק מעבודת הפוסט-דוקטורט שלו יחד עם חוקרים נוספים מספרד, פורטוגל, צרפת, ברזיל וארה"ב, הצליחו החוקרים לבנות סוג חדש של מהוד אופטי. המהוד, שמבוסס על שילוב של קוביות מתכת בגודל ננומטרי המפוזרות על גבי הגרפן, איפשר לייצר את המהוד האופטי הקטן ביותר שנבנה עד כה לקרינה אינפרא-אדומה, ואשר מבוסס על הפלזמונים בגרפן.

 

בניסוי, החוקרים השתמשו בקוביות מתכתיות בגודל 50 ננומטר בלבד, אשר מפוזרות באופן אקראי על שכבת הגרפן ללא דפוס או כיוון ספציפי. זה איפשר לכל קוביה, ביחד עם הגרפן, לפעול כמהוד אופטי בודד. לאחר מכן הם העבירו אור אינפרא-אדום דרך הדגם ומדדו כיצד הפלזמונים נדחסים לנפח קטן מאוד בין הגרפן והקוביות.

 

מבעיה לפתרון

ד"ר אפשטיין מציין כי "המכשול העיקרי בו נתקלנו בניסוי זה הוא העובדה שאורך הגל של אור אינפרא-אדום גדול מאוד והקוביות קטנות מאוד - בערך פי 200 - כך שקשה מאוד לגרום להם לבצע אינטראקציה זה עם זה". כדי להתגבר על הבעיה הם ניצלו תופעה מיוחדת - כאשר הפלזמונים נדחסו אל המהוד הם יצרו אופן תהודה הנקרא אופן תהודה מגנטי. ד"ר אפשטיין מבהיר: "תכונה ייחודית של אופן תהודה מגנטי מסוג זה היא היכולת לפעול כסוג של אנטנה המגשרת על ההבדל בין הממדים הננומטריים של הקוביה לבין המימדים הגדולים של האור האינפרא-אדום". לפיכך, אופן התהודה איפשר לדחוס את הפלזמונים לנפח הקטן פי מיליארד מהנפח של אור אינפרא-אדום רגיל, דבר שמעולם לא הושג לפני כן. בנוסף, החוקרים גילו שהמהוד משמש גם כסוג חדש של אנטנה ננומטרית שיכולה לפזר אור אינפרא-אדום ביעילות רבה.

 

תוצאות מחקר מבטיחות

לרוב החומרים המולקולריים קיימים מעברים אנרגטיים בספטרום האינפרא-אדום, ומכוון שגישה זו, של דחיסת האור לחללים מאד קטנים, מסוגלת לחזק את השדה האופטי בצורה ניכרת, ניתן להשתמש בה כדי לאתר חומרים מולקולריים, המגיבים לאור אינפרא-אדום. מבחינה זו תוצאות המחקר מבטיחות בתחום של גלאים חדשים לחישה מולקולרית וביולוגית, רפואה, ביוטכנולוגיה, בדיקת מזון ואפילו ביטחון. גלאים אלו יעזרו לאתר חומרים מולקולריים רעילים או מסוכנים, הנמצאים במזון או בציוד הנ"ל.

 

העבודה בוצעה כחלק מעבודת הפוסט-דוקטורט של ד"ר אפשטיין, במכון המחקר ICFO – The Institute of Photonic Sciences, בברצלונה, ספרד, והתפרסמה בירחון המדעי Science.

 

את המאמר המלא ניתן למצוא כאן.

 

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

ד"ר טלי אילוביץ

מחקר

27.05.2020
שיטה לא פולשנית לחיסול תאים סרטניים

ד"ר טלי אילוביץ מהמחלקה להנדסה ביו-רפואית באוניברסיטת תל אביב ביחד עם חוקרים מאוניברסיטת סטנפורד פיתחו טכנולוגיה לא פולשנית מבוססת אולטרסאונד לצורך העברת גנים אל תוך גידולים סרטניים

  • מחקר
  • הנדסה ביו-רפואית

ד"ר טלי אילוביץ מהמחלקה להנדסה ביו-רפואית והעומדת בראש המעבדה לאולטרסאונד, מפתחת טכנולוגיות חדשות בתחום האולטרסאונד. דוגמא לטכנולוגיה שכזו היא שימוש באולטרסאונד טיפולי לצורך טיפולים לא פולשניים כתחליף להתערבות כירורגית חיצונית. הטיפול מושג ע"י שימוש בבועיות גז קטנות שקוטרן הוא כעשירית בלבד מקוטר תא דם אדום. במקור, הבועיות הללו פותחו כחומר ניגוד לדימות של כלי דם באולטרסאונד וכיום גם משמשות כפלטפורמה טכנולוגית לריפוי. באמצעות הזרקה של מיקרו-בועות ומיקוד של אולטרסאונד בתדר נמוך, הבועות תתכווצנה ותתרחבנה באזור הספציפי, דבר שיאפשר מעבר של חומרים מתוך כלי הדם אל הרקמה שמסביב. בצורה כזו לדוגמה ניתן להשתמש באולטרסאונד טיפולי שחודר מבעד לגולגולת כדי לפתוח את מחסום הדם-מוח בצורה ממוקדת והפיכה על מנת לאפשר מעבר של תרופות לטיפול במחלות שונות. את הפלטפורמה הזו ד"ר אילוביץ מקווה להמשיך לפתח ולהרחיב לטיפול במגוון מחלות, החל מגידולים סרטניים ועד לאלצהיימר ופרקינסון.

 

לאחר סיום הדוקטורט שלה, ד"ר אילוביץ המשיכה לפוסט דוקטורט בבית הספר לרפואה שבאוניברסיטת סטנפורד ובתחילת השנה הצטרפה לסגל המחלקה להנדסה ביו-רפואית באוניברסיטת תל אביב. במחקרה שהתפרסם החודש במגזין המדעי Proceedings of the National Academy of Sciences , ביחד עם חוקרים מאוניברסיטת סטנפורד פיתחו טכנולוגיה לא פולשנית מבוססת אולטרסאונד לצורך העברת גנים אל תוך גידולים סרטניים.

 

השיטה משלבת אולטרסאונד עם מיקרובועות שנקשרות אל התאים הסרטניים. כאשר אולטרסאונד מופעל, המיקרובועות מתנהגות כמו ראשי נפץ נקודתיים שיכולים לפעור חורים בממברנות של התאים הסרטניים ולאפשר מעבר של הגנים דרכם. הפלטפורמה הטיפולית החדשה נועדה לתפוס שתי ציפורים במכה אחת. ראשית, המיקרובועות תוקפות את התאים הסרטניים ולאחר מכן הגן שמועבר לתוכם מאותת למערכת החיסון להרוס את שארית הגידול. התגובה החיסונית המערכתית שנוצרת מסוגלת למגר גידולים נוספים שלא טופלו ישירות

 

הקליקו למאמר המלא

 

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

יצור אתנול רפואי מפסולת חקלאית לחיטוי וירוס הקורונה

מחקר

25.05.2020
ייצור אתנול רפואי מפסולת חקלאית לחיטוי

פרופ' ממן מהפקולטה להנדסה אוניברסיטת תל אביב, יחד עם הדוקטורנט רועי פרץ ופרופ' גרשמן מאוניברסיטת חיפה-מכללת אורנים, הצליחו לייצר אתנול מפסולות מגוונות בתהליך חדשני על מנת שמדינת ישראל תוכל לייצר בעצמה אלכוהול ללא חשש ממחסור   

  • מחקר
  • הנדסה מכנית

המאבק נגד נגיף הקורונה מתחיל בשמירה על היגיינה וחיטוי, לכן עם התפרצות וירוס הקורונה עלתה הדרישה לאלכוהול לצורך חיטוי. אלכוהול (אתנול) הוא חומר החיטוי הנפוץ ביותר ומשמש לייצור אלכוג'ל, ספטול ודומיהם. נכון להיום, בישראל אין ייצור מקומי של אתנול וב-2018 ייבאה ישראל 23,000 טונות של אתנול, כאשר מרביתו מיוצר ממקורות מזון ראויים לבני אדם כגון תירס. נכון להיום, מדינת ישראל תלויה לחלוטין ביבוא של אתנול, והבעייתיות הופכת למשמעותית יותר בעת מגפות כאשר יש הסגרים כללים, ומגבלות ייבוא גדולות. 

 

מחסור בחומרי חיטוי בישראל

כחלק מעבודת המחקר של פרופ' ממן יחד עם הדוקטורנט שלה רועי פרץ ושאר צוות החוקרים במעבדה, עוסקים בטיפול בפסולות המהוות מטרד לאדם ולסביבה, והפיכתה לאלכוהול, מוצר שימושי כתחליף דלק למשל. עם התפרצות המגפה, ניכר כי יש מחסור גדול של חומרי חיטוי בארץ. "הופעתנו לגלות כי מדינת ישראל, נכון להיום, תלויה לחלוטין בייבוא אלכוהול לצורך חיטוי. מכאן ועד בחירת הנושא למחקר לטובת ייצור אלכוהול כחומר חיטוי למען המאבק בקורונה היה קצר.

 

במחקר משותף שמומן בימים אלה ע"י משרד המדע, הצוות של פרופ' ממן מבית הספר להנדסה מכנית באוניברסיטת תל אביב ופרופ' גרשמן באוניברסיטת חיפה-מכללת אורנים, הדגימו ייצור אתנול מפסולות מגוונות כגון גזם עירוני, בעזרת טיפול קדם באוזון והמרתה לאלכוהול בתהליך חדשני. בכך מדינת ישראל תוכל לייצר בעצמה אלכוהול ללא חשש ממחסור היות וזה מיוצר מפסולת. 

תמונה ממפעל נייר חדרה

תמונה ממפעל נייר חדרה

 

ייצור אתנול מפסולות מגוונות

פרופ' ממן, ראשת התוכנית ללימודי הנדסת סביבה לתארים מתקדמים בפקולטה להנדסה מסבירה כי "פריצת הדרך שלנו בכך שהצלחנו לייצר אתנול בצורה אפקטיבית מפסולות מגוונות כגון גזם עירוני וחקלאי, קש, פסולת נייר ובוצת נייר וכד', בעזרת טיפול קדם בגז אוזון. שימוש באוזון מציג שיטת טיפול קדם פשוטה וזולה להקמה והפעלה שכמעט ואינה מזהמת ואינה דורשת שימוש בחומרים מסוכנים וניתנת לביצוע בקנה מידה מקומי ועולמי. בימים אלו אנחנו מקימים באוניברסיטת תל-אביב פיילוט יישומי לייצור אלכוהול לחומר חיטוי מפסולת במדינת ישראל. אך ישנם אתגרים במחקר מכיוון שכחלק מתהליך הגמלון, והמעבר מסקאלה מעבדתית לפיילוט יישומי, האתגר יהיה להעלות את רמת יעילות תהליך יצירת אלכוהול מפסולות רבות". 

 

עוד אומרת פרופ' ממן כי "למחקר פוטנציאל רב מכיוון שבישראל מיוצרים מדי שנה כ-620,000 טונות של פסולות צמחיות ודומות שאין להן שימוש. במחקר זה, גם נטפל בבעיית הפסולות וגם נייצר מוצר בעל ערך רב שיאפשר עצמאות למדינת ישראל בייצור אתנול. יתרון נוסף של התהליך שלנו שמדובר על תהליך שיכול לעבוד עם כמויות פסולות שונות ומגוון של פסולות, וגם להשתלב עם הטיפול קדם החדשני שלנו יחד עם חברות שיש להם תהליכי התססה וזיקוק. פיתחנו גם שיטה חדשנית לייצור אתנול מפסולת מיחזור נייר וקרטון. התהליך שפותח מבוסס גם על טכנולוגית אוזונציה חדשנית אשר מאפשרת חמצון ופירוק של מרכיב הליגנין בפסולת, הידוע כמעכב את תהליך המרת הפסולת לאתנול. על בסיס תהליך זה נרשם לאחרונה פטנט בארה"ב. בישראל בלבד בכל שנה נוצרים כ-35,000 טונות של פסולות תהליך מיחזור נייר, אשר בלא פתרון אחר משונעות להטמנה". 

 

בנימה אישית

"המגפה האחרונה לקחה מאיתנו את הדבר היקר לנו מכל- קרבה אנושית. המאבק במגפה מאלץ אותנו להיות בריחוק כדי לשמור את היקרים לנו. אין ראוי מלהצטרף למאבק בקורונה ולתרום לבריאות הציבור. לא רק זה, בעת שהותי בשבתון בהודו נחשפתי להשפעה הסביבתית של שריפת פסולות חקלאיות במעבר בין הגידולים שונים וההשפעה על זיהום האוויר ועל ההחמרה במצב עקב שינויים האקלימיים שהשפיעו משך ועוצמת המונסונים. זה חיזק אצלי את החשיבות של המחקר שלנו על ניצול הפסולות החקלאיות ליצירת תהליך מבוזר, שיוכל לאפשר לחקלאים למשל להרוויח מאי-שריפת הפסולות החקלאיות, הרווח הסביבתי והחברתי וגם נכון להיות עוד יותר, שמירה על בריאות הצבור בשל מגפות עולמיות"  מסכמת פרופ' ממן.  

 

לכתבה ב YNET

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

בדיקות מעבדה בעזרת רשת נוירונים ללימוד עמוק בפחות זמן וכסף

מחקר

19.04.2020
צביעה וירטואלית של תאים ביולוגיים בעזרת רשת נוירונים עתידה לייעל בדיקות מעבדה

פרופ' נתן שקד מהמחלקה להנדסה ביו-רפואית, פיתח יחד עם המסטרנט יואב נייגט ושאר צוות החוקרים שלו רשת נוירונים ממוחשבת ללימוד עמוק אשר יודעת לבצע צביעה וירטואלית של תאים ביולוגיים, בלי צורך בצביעה כימית אמיתית שלהם.

  • מחקר
  • הנדסה ביו-רפואית

החודש התפרסם מאמרו של פרופ' שקד במגזין היוקרתי PNAS, הנחשב לאחד העיתונים המדעיים הטובים והוותיקים בעולם. במאמר הצליחו פרופ' שקד וקבוצתו להציג גישה חדשה של למידה עמוקה הנקראת HoloStain, אשר ממירה תמונות של תאים ביולוגיים מבודדים, שנרכשו ללא צביעה כימית על ידי מיקרוסקופיה הולוגרפית, לתמונותיהם הצבועות דיגיטלית, עם יכולת לראות אברונים (חלקים מהתא בעלי תפקידים ספציפיים) בתוך התאים, כאילו שמדובר בתאים צבועים באמת.

 

תאים ביולוגיים בצלוחית המצולמים במיקרוסקופ אור הם ברובם שקופים ולא ניתן לראות את התוכן שלהם. צביעת תאים היא טכניקה המקלה ומשפרת את הצפייה בתאים אלו ונמצאת בשימוש רחב בביולוגיה וברפואה, למשל כדי לאבחן מחלות או לבצע בדיקות מעבדה סטנדרטיות. פעולתה העיקרית היא שיפור ניגודיות הצבעים המאפשרת לראות את המבנה הפנימי של התאים למרות שקיפותם. הצביעה נעשית באמצעות קשירה כימית בין מולקולת הצבען (חומר הצביעה) לבין המולקולה הספציפית לה בתא, וכך אפשר לראות את האברונים הפנימיים בתוך התא ולאבחן את מבנהו.

 

הולוגרפיה קלינית

פרופ' שקד וקבוצתו פיתחו דרך לדימות טופוגרפי כמותי של תאים ללא צביעה המבוססת על הולוגרפיה קלינית, אשר מקליטה עד כמה האור התעכב במעבר דרך התאים, מה שמניב מפות גובה כמותיות של התאים. את זה ניתן לעשות מהר מאוד, אפילו תוך כדי זרימה של התאים. המערכות הללו היו עד לא מזמן מסובכות ויקרות מידי לשימוש קליני, אך הדבר נפתר בעזרת המצאותיה האחרונות של הקבוצה - מודולים הולוגרפים קטנים שמתממשקים ליציאה של מיקרוסקופי אור קליניים רגילים ויכולים להניב הולוגרפיה איכותית בתנאים קליניים.

 

מבעיה לפתרון

למרות שהתמונות של ההולוגרפיה הן כמותיות ולא דורשות צביעה כימית, קלינאים מתקשים להשתמש בהן, כי הן לא נראות כמו תמונות של תאים צבועים, ששם רואים בבירור את האברונים הפנימיים של התא. לצורך פתרון בעיה זו, קבוצת המחקר בנתה רשת נוירונים ממוחשבת ללימוד עמוק אשר יודעת, לאחר אימון מתאים, לקחת את תמונות ההולוגרפיה ולהציג אותן כאילו הן צבועות, בזמן אמת (במהירות רבה).

 

שיטות לבניית רשתות לימוד עמוק התפתחו רק לאחרונה עקב הצורך בכוח חישוב רב בזמן האימון שלהן.  

 

היתרונות לצביעה וירטואלית של תאים ביולוגיים

צביעה וירטואלית של תאים ביולוגיים חשובה לבדיקות מעבדה שגרתיות רבות שבהן צובעים תאים כדי לאפיין ולמיין אותם (למשל בדיקת דם). כעת, כבר לא חייבים לצבוע את התאים בצורה כימית לצורך אבחנה מבנית שלהם, וזה עתיד לחסוך כסף וזמן. בנוסף, יש משימות רפואיות שבהן צביעה כימית לא אפשרית בגלל שהיא הורסת את התא (למשל בחירת זרעונים להפריה חוץ גופית), או בגלל שהצבענים המתאימים לא קיימים לסוג התאים הנבחן. מעבר לכך, התמונות שמייצרת הרשת הלומדת נקיות יותר, וגם ניתן לקחת תאים שנרכשו שלא בפוקוס ולהכניס אותם לפוקוס בצורה אוטומטית במחשב, מכיוון שהרכישה היא הולוגרפית (כלומר של כל חזית הגל של האור). זה מגדיל את האפשרות לעבד יותר תאים בזמן נתון (כי אם עוברים שני תאים - אחד בפוקוס והשני לא בפוקוס במכשיר שמזרים תאים - ניתן לרכוש את שניהם מבלי לאבד זמן).

שורה ראשונה - מפות טופוגרפיות כמותיות של תאי זרע שהושגו על ידי הולוגרפיה ללא צביעה. 

שורה שניה - תמונות של תאי זרע צבועים וירטואלית (ללא צביעה אמיתית) - זוהי תוצאת רשת הנוירונים לאחר עיבוד המפות הטופוגרפיות שמוצגות בשורה הראשונה.

שורה שלישית - אותם תאים שצבועים באמת, על ידי צביעה כימית, להשוואה.

שלוש העמודות השמאליות מציגות תאים בעלי מורפולוגיה תקינה. שלוש העמודות הימניות מציגות תאים בעלי מורפולוגיה שאינה תקינה. כעת, אפשר לבצע צביעה וירטואלית של תאי הזרע במהלך הפריה חוץ גופית ולאבחן את התאים כאילו הם נצבעו כימית אמיתית.

 

* מחקר זה זכה לאחרונה בגרנט של האיחוד האירופי Horizon2020 ERC Proof of Concept

*לינק לקבוצת המחקר של פרופ' נתן שקד

*לינק למאמר במגזין PNAS

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