RESEARCH

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

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

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 לתוכנה: https://osf.io/befqm/

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון