חדשות

תלמיד המחקר איתמר אליקים, בהדרכתם של ד"ר גבור קושה מבית הספר להנדסה מכנית, ופרופ' יוסי יובל מהמחלקה לזואולוגיה בפקולטה למדעי החיים ע"ש ג'ורג' ס' וייז ומבית הספר סגול למדעי המוח באוניברסיטת תל אביב, הצליח לבנות את הרובוט הראשון שמחקה את הביולוגיה הייחודית של העטלפים.

"למיטב ידיעתנו, זהו הרובוט האוטונומי הראשון בעולם שמשתמש בביולוגיה של עטלפים, כדי לנווט את דרכו ולמפות את הסביבה באמצעות איכון הד בלבד, והוא מהווה פריצת דרך בטכנולוגיית עולם הרובוטיקה", אומר פרופ' יובל.

הרובוטלף מנווט בשטח בעזרת חוש השמיעה בלבד (צילום: איתמר אליקים)

שומע, עבור

הרובוטלף, שבנייתו ארכה כשנתיים, מצויד ב"פה" עטלפי: רמקול על-קולי, המפיק צלילים בתדרים האופייניים לשידורי העטלף, ובזוג אפרכסות "אוזניים": שני מיקרופונים הקולטים תדרים על-קוליים. הוא מנווט את דרכו בשטח לא מוכר בזמן אמת אך ורק באמצעות צלילים, בעזרתם הוא מגדיר את גבולות העצמים במרחב, מסווג אותם באמצעות מחשב, וכך מייצר מפה מדויקת של סביבתו תוך הימנעות ממכשולים.

"היום רובוטים מנווטים בעיקר באמצעות חוש דמוי-ראייה, כלומר באמצעות מצלמות וקרני לייזר. זהו חוש נהדר, אך לא נטול חסרונות", מסביר פרופ' יובל ומרחיב, " ניווט בחושך, באבק או בעשן, כמו מתחת להריסות או במהלך שריפה, יהיה קשה לרובוט שפעילותו מתבססת על חוש הראייה. כך גם במקום בו יש קירות שקופים או סבך שיחים. הרובוטלף שלנו פשוט יעבור דרך השיח, מפני שהוא יכול לשמוע מבעד לעלים. לפיתוח הזה עשויות להיות השלכות גדולות בפיתוח רובוטים מרובי-חושים, כפי שאנו בני האדם מרובי-חושים".

מה עושה העטלף בלילות

הרובוטלף שופך אור גם על חייהם על העטלפים. "הפרויקט נעשה בהשראה ביולוגית, לכן העדפנו להיצמד למאפייני החיה האמתית, כפי שהיא מתקיימת בטבע. אם היינו רוצים לבנות את המכונה הטובה ביותר, היינו בונים אותה אחרת. למשל, עם יותר אוזניים", מספר פרופ' יובל. "כזואולוג אני חושב שתוך כדי תהליך למדנו עוד על העטלפים. למשל, למדנו להבין טוב יותר את סדר העדיפויות החישתי של העטלף, ואת האופן שבו הוא מפענח אותות בזמן אמת".

בימים אלה, אליקים ופרופ' יובל עובדים על שיפורים לרובוטלף. "במקביל לשיפור ולדיוק האלגוריתמים, התחלנו לעבוד על בניית מספר רובוטלפים שינווטו יחד כקבוצה, ממש כפי שחלק ממיני העטלפים פועלים בטבע", מגלה פרופ' יובל ומסכם "אמנם מדובר בתכנית לטווח הרחוק, אך אנחנו מאמינים כי בעתיד נשיק רובוטלף שגם יעוף כמו עטלף אמתי". באטמן, מאחוריך.

דבר לסונאר שלי. פרופ' יובל וזוג עטלפים

האם קרוב היום שבו לא נזדקק לניסויים בבעלי חיים על מנת לחקור את המוח? "למעלה משישים אחוזים מהתרופות שעוברות בהצלחה ניסויים בבעלי חיים נכשלות בשלב הניסויים על בני אדם", אומר ד"ר בן מאיר מעוז מהמחלקה להנדסה ביו-רפואית ומבית ספר סגול למדעי המוח באוניברסיטת תל אביב. "למרות הדמיון, מוח של עכבר פשוט אינו מוח של אדם. יתרה מכך, מחלות נוירודגנרטיביות הן מחלות שאופייניות בעיקר לבני אדם. מסיבה זו אנו שואפים לבנות מוח-על-שבב מתאי אדם, שידמה את תפקוד המוח במצב תקין ובמצבי מחלה."

המוח האנושי מורכב ממאה מיליארד נוירונים, השולטים בכל מחשבה ופעולה שלנו, והוא האיבר המורכב והעדין ביותר בגוף האדם. מכיוון שכך, המוח זקוק להגנה מיוחדת מפני רעלנים. כלי הדם, המספקים למוח חמצן וחומרים מזינים, סלקטיביים מאוד לגבי החומרים שיכולים לעבור מהדם למוח ולהפך, ולכן הם נקראים מחסום הדם-מוח (Brain-blood barrier). מעבר להיותו מחסום פיזי, המחסום מווסת באופן פעיל את תפקודי המוח, אלא שעד היום לא היה ברור כיצד הוויסות הזה נעשה בפועל.

פיצוח האינטראקציה בין תאי העצב לכלי הדם

"ידוע שיש קשר בין כלי הדם של המוח לפעילות המוחית עצמה", מסביר ד"ר מעוז. "על העיקרון הזה, למשל, פועלים מכשירי MRI: כשאנחנו מאמצים אזור מסוים של המוח, כלי הדם מזרימים יותר דם לאזור – והמכשיר מודד את הפעילות המוגברת. עם זאת, קשה מאוד להבין את האינטראקציה בין כלי הדם לתאי העצב ברמה התאית. מטבע הדברים לא ניתן לעבוד עם מוח אנושי חי, ואילו תאים בתרביות אינם משקפים את הקישוריות הזאת. הקישוריות בין התאים משפיעה מאוד על תכונותיהם. תאי עצב שגדלים בצלחת פטרי שונים בתכונותיהם מתאי עצב שמחוברים לתאי כלי הדם".

הפתרון שמצא ד"ר מעוז הוא איבר-על-שבב: גידול רקמה אנושית מתרומת רקמות ומתאי גזע שהומרו לתאי איברים, כך שניתן לדמות את פעילות האיבר בצורה מבוקרת ולחבר בין החלקים השונים של המוח. בארבע השנים האחרונות בנה ד"ר מעוז מערכת חיה, המדמה את האינטראקציות של המוח אנושי: רקמת מוח-על-שבב, המחוברת לשתי רקמות כלי דם ותאי עצב, המדמות את מחסום הדם-מוח. המחקר נעשה בשיתוף עם מכון וויס, אוניברסיטת הרווארד ומכון KTH השבדי, ותוצאותיו התפרסמו בכתב העת Nature Biotechnology.

מערכת שלמה שעובדת

"איבר-על-שבב זאת טכנולוגיה שהומצאה לפני כעשור", מסביר ד"ר מעוז, "אבל היישום שלה בהבנת תהליכים ביולוגים בסיסיים במוח היה מוגבל מאוד. הסיבה לכך הייתה שעד כה בחנו את רקמת המוח במנותק ממחסום הדם. אנחנו יצרנו מערכת שלמה והוכחנו שהיא עובדת. כך, למשל, הכנסנו מתאמפטמין, הסם מהסדרה 'שובר שורות', לשבבי תאי הדם, וראינו שאנחנו מקבלים על שבב המוח את אותן התופעות שמתקבלות אצל אנשים המשתמשים בסם".

בתום שורה של ניסויים מוצלחים, שנועדו לבחון את המערכת, ד"ר מעוז ועמיתיו הראו לראשונה שכלי הדם במוח לא רק מתרחבים ומתכווצים, אלא משחררים כימיקלים שמשפיעים ישירות על תאי העצב, מייעלים ומזרזים את פעילותם – כחלק אינטגרלי מהתהליך הנוירולוגי. מעבר לתרומתה המחקרית, פריצת הדרך של ד"ר מעוז פותחת את האפשרות לבחינה יעילה יותר של תרופות על בני אדם, בדגש על מחלות נוירודגנרטיביות, דוגמת פרקינסון ואלצהיימר.

"המוח שבנינו במעבדה מאפשר לנו לבחון תהליכים ביולוגיים מורכבים ואת השפעתן של תרופות על בני אדם מבלי לסכן איש, ומבלי להרע לחיה, וזאת בדרך יעילה מאי פעם." אומר ד"ר מעוז, "איבר-על-שבב הוא לא רק כלי מחקרי. ה-FDA כבר יצא ביוזמת פיתוח איברים-על-שבבים כחלק מתהליך פיתוח התרופות, ומספר שיתופי פעולה כבר נוצרו בין המעבדה שלי לחברות תרופות מהארץ ומהעולם".

"בימים אלה", מסכם ד"ר מעוז, "אנחנו מוסיפים איברים נוספים, כמו מערכת חיסונית וכבד, במטרה לבנות לבסוף מודל שלם של גוף האדם על שבבים, שיחליף את הצורך בחיות במעבדה ויעניק לחוקרים רזולוציות חסרות תקדים להשפעה של כימיקלים שונים על מוח האדם – ולהתפתחותן הביולוגית של מחלות שונות הייחודיות לאדם".

במסגרת המחקר, בהובלת ד"ר הילה מאי ופרופ' ישראל הרשקוביץ מהמחלקה לאנטומיה ואנתרופולוגיה, ומרכז דן דוד לחקר תולדות האדם, בפקולטה לרפואה ע"ש סאקלר באוניברסיטת תל אביב, ובשיתוף עם ד"ר דינה שלם ממכון כנרת לארכיאולוגיה גלילית ורשות העתיקות וכן עם אאודין הארני ופרופ' דיויד רייך מאוניברסיטת הרווארד שבארה"ב - בוצעו בדיקת DNA  בעצמותיהם של 22 בני אדם, שנקברו לפני כ-6500 שנה במערת קבורה בפקיעין שבגליל.

המערה נחשפה בשנת 1995, בעת הרחבת כביש במקום, והתגלו בה שרידים של למעלה מ-600 בני אדם מהתקופה הכלקוליתית. "העצמות נקברו בקבורה משנית בתוך קנקנים ומכלי קבורה מטין (גלוסקמאות), בעלי עיטורים ייחודיים: בחזית הגלוסקמאות מפוסלים פני אדם, הכוללים אוזניים, עיניים, זקן, ולפעמים גם ידיים ושדיים. לצד מכלי הקבורה נמצאו כלים ופריטים נוספים, שחלקם אופייניים לאותה תקופה באזורנו, וחלקם מעידים על קשר תרבותי לאזורים מרוחקים", מציינת ד"ר שלם. המחקר המלא יתפרסם השבוע בכתב העת היוקרתי Nature Communicatios.  

סוד העצמות היבשות

מאז הגילוי, במשך למעלה מ-20 שנה, תהו החוקרים אם האוכלוסייה שקברה את מתיה במערה, היגרה לאזור ממקום אחר, והביאה עמה אלמנטים תרבותיים חדשים, או שמדובר באוכלוסייה מקומית, שאימצה רעיונות מתרבויות שכנות דרך קשרי מסחר.

"מלכתחילה היה ברור שרק מחקר גנטי יוכל לתת תשובה לשאלה הזו, אבל הסיכויים לכך נראו קלושים," הסבירה ד"ר מאי. "על מנת ליצור את הפרופיל הגנטי של פרטים, שחיו לפני אלפי שנים, יש להפיק חומר גנטי שנשתמר בעצמות. רוב הבדיקות הגנטיות, שנעשו עד כה על אוכלוסיות פרהיסטוריות מארץ ישראל, נכשלו או סיפקו מידע מועט. זאת משום שתנאי האקלים בארץ גורמים להרס החומר הגנטי לאורך זמן."

למזלם של החוקרים, השתמרו, אם כי באופן חלקי, רצפי דנ"א אנושי בעצמות של 22 פרטים במערה – מספר גדול מאתר יחיד, במונחי מחקר גנטי של אוכלוסיות פרהיסטוריות. לדברי פרופ' הרשקוביץ, "ככל הנראה, החומר הגנטי השתמר בשל תנאי האקלים המיוחדים ששררו במערה, ובזכות הציפוי הגירני על העצמות, שנוצר עקב טפטוף המים דרך תקרת המערה, ובודד אותן מהסביבה".

החוקרים הצליחו לקבוע, כי האוכלוסייה שנבדקה הינה תערובת של אוכלוסייה מקומית ואוכלוסייה שהיגרה לכאן מהצפון, מאזור איראן ותורכיה של ימינו. הם הסכימו ביניהם כי הערבוב בין האוכלוסיות הביא לחדירה של גנים שלא היו קיימים באזור קודם לכן, כמו הגנים לעיניים כחולות וצבע עור בהיר.

אך הטורקים והאיראנים הקדומים נשארו באזור כאלף שנה בלבד, ולאחר שהשאירו את חותמם המשיכו הלאה. ד"ר מאי ציינה כי "לא נמצאה רציפות גנטית בין אוכלוסיית פקיעין הכלקוליתית לאוכלוסיות מאוחרות יותר, מה שמעיד על שינוי דמוגרפי נוסף באזור, שהביא להיעלמותה של תרבות זו, בסביבות שנת 3,500 לפנה"ס".

חוקרים מבית הספר לכימיה בפקולטה למדעים מדויקים ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר, פיתחו מערכת מהפכנית, המבטלת כמעט לחלוטין את החיכוך בין משטחים. הפיתוח החדש קיבל את הכינוי "על-סיכה", והוא מסוגל לבטל כמעט לחלוטין את החיכוך בין משטחים מיקרומטרים (מיקרומטר הוא אלפית המילימטר). בשביל מה זה טוב, אתם שואלים? ובכן, ביטול חיכוך בין משטחים יכול למנוע שחיקה ולחסוך אנרגיה רבה - החל בהארכת חיי מנועי מכוניות וכונני מחשב, דרך מניעת בלאי במסבי לוויינים, וכלה בשיפור פעולת מזרקים רפואיים ואפילו מפרקי גופנו.

מערכת סופר-על לביטול חיכוך

נושא החיכוך מעסיק את עולם המחקר כבר שנים רבות, וחוקרים רבים מחפשים את הפתרונות לצמצומו או אף לביטולו. לפיתוח החדש אחראיים פרופ' מיכאל אורבך ופרופ' עודד הוד מהאוניברסיטה, בשיתוף עם פרופ' מינג מא ופרופ' קוואנשואי ז'נג, מאוניברסיטת צינגחואה שבבייג'ין. מחקרם פורסם בכתב העת היוקרתי Nature Materials.

"חיכוך הוא כוח פיזיקלי בסיסי המופיע בכל מנגנון מכני. לעיתים קרובות החיכוך הוא חיוני לפעולת המערכת, אך פעמים רבות הוא גם גורם לשחיקה ולאובדן אנרגיה," מסביר פרופ' אורבך. "קיימות הערכות לפיהן כ-30% מהאנרגיה המסופקת על-ידי דלק בכלי-רכב אובדת עקב חיכוך, ולכך יש להוסיף את הנזק הכרוך בשחיקה ובבלאי. מסיבה זו מנסים מדענים בכל העולם לפתח מערכות, שיפחיתו משמעותית את רמת החיכוך בין גופים.

כבר בשנת 1993 הוטבע המונח "על-סיכה" על ידי קבוצת חוקרים יפניים, שהוכיחו כי מצב של חיכוך אולטרה-נמוך אפשרי מבחינה תיאורטית. עם זאת, עד היום לא יושמה מערכת על-סיכה ממשית במנגנונים מכניים שגודלם מעל ננומטרים ספורים (ננומטר הוא מיליונית המילימטר)".

לעשות סדר במבנה האטומי

במחקרם יצאו פרופ' אורבך ופרופ' הוד מנקודת הנחה, כי כשמניחים זה על גבי זה שני משטחים בעלי מבנה מולקולרי זהה – המשטחים יתקבעו בהתאמה אחד לשני, ולכן התנועה שלהם תהיה קשה וכרוכה בחיכוך רב. אולם אם מוצאים חומרים שהמבנה המולקולרי שלהם שונה, ומחליקים אותם זה על זה – התנועה תתרחש בקלות וכמעט ללא חיכוך. "דמיינו לעצמכם שני קרטוני ביצים המונחים זה על זה בהתאמה מלאה. קשה יהיה להניע אותם זה גבי זה. אולם אם רק נשנה את הכיוון בו הם מונחים – התנועה תהיה קלה בהרבה", מסביר פרופ' הוד.

לצורך הניסוי הם ציפו שני רכיבים מכניים בחומרים בעלי מבנה אטומי דומה, אך לא זהה. את הראשון ציפו בגרפן, העשוי שכבות פחמן בעובי אטום אחד בלבד, ומבנהו הגבישי דמוי כוורת משושים, ואת השני בגרפן לבן, הדומה לו מאוד במבנהו, אך נבדל ממנו בגודל המשושים. כתוצאה מהבדל זה, ידעו החוקרים כי לעולם לא תהיה התאמה מלאה בין שני המשטחים, והניחו כי הם יחליקו זה על זה בקלות, בכל כיוון. זאת בניגוד לשני משטחים העשויים מאותו חומר, שהם בעלי מבנה זהה, ולכן ננעלים זה בתוך זה, בדומה לקרטוני הביצים.

"המחקר מבוסס על עבודה תיאורטית שביצענו, שחזתה כי הממשק בין משטח של גרפן לבין משטח גרפן לבן, צפוי להציג על-סיכה ללא תלות בכיווניות היחסית של המשטחים", אומר פרופ' הוד. "המשמעות היא שאם נצפה שני רכיבים מכניים הנעים זה על זה, האחד בגרפיט (רב שכבה של גרפן) והשני בגרפיט לבנה (רב שכבה גרפן לבן), אנו צפויים לקבל על-סיכה יעילה ביותר".

עמיתיהם של פרופ' הוד ופרופ' אורבך באוניברסיטת צינגחואה ביצעו סדרת ניסויים, שהוכיחה את התיאוריה הלכה למעשה. התוצאות המרשימות הושגו במשטחים ריבועיים בעלי צלע באורך 3 מיקרון, ושטח מגע הגדול פי מיליון מניסויים קודמים. "המדידות של עמיתינו הסיניים, שנתמכו בחישובים שלנו, הראו חיכוך אולטרה-נמוך בין שני המשטחים, כשהם מחליקים זה על זה בכל זווית שהיא," אומר פרופ' הוד. "למעשה, מדובר בעל-סיכה המקטינה את החיכוך פי אלף בהשוואה לרמת החיכוך המכנית המוכרת לכולנו מחיי היומיום".

החיים ללא חיכוכים

הממצאים המעודדים, אשר מהווים למעשה פריצת דרך, יכולים להשפיע על חיינו בתחומים רבים. חלקם בעלי פוטנציאל לשימוש טכנולוגי כבר היום. "אנחנו צופים אינספור יישומים לטכנולוגיית העל-סיכה שפיתחנו. משטחים שגודלם מספר מיקרונים, כמו אלה שבנינו, יכולים להתאים כבר היום למכשירים זעירים, כמו רכיבי שעונים מכניים ואוטומטים, הנחשבים היום לפריטי אספנות יקרים, ולהתקנים מיקרו-אלקטרו-מכניים דוגמת חיישני תאוצה ולחיישנים כימיים", מסכם פרופ' אורבך ומוסיף "אנו מאמינים שבעתיד יפותחו גם משטחים גדולים יותר, שיותקנו במנועי מכוניות, במסבי לוויינים, ואולי אף בגוף החי. מערכות על-סיכה כאלה יחסכו כמות אדירה של אנרגיה, וימנעו בלאי ושחיקה בכל סוגי המנגנונים, החל במנועים ובמזרקים רפואיים, וכלה במפרקים שבגופנו".