מחקרים

RESEARCH

מה מעניין אותך?

כל הנושאים
אמנויות
מוח
הנדסה וטכנולוגיה
חברה
מדעים מדויקים
ניהול ומשפט
סביבה
רוח
רפואה ומדעי החיים

לובי מחקרים

carousle news research: 
news research carousel: 
תמונת באנר: 
תמונת באנר: 
תמונת באנר: 
בחר את סוג הלובי: 
מחקרים

מחקר

13.01.2021
רובוט, תקשיב טוב

חוקרים הצליחו ליצור רובוט, ששומע באמצעות אוזן ביולוגית

  • מוח
  • הנדסה וטכנולוגיה
  • רפואה ומדעי החיים

מה קורה כשזואולוגים ומהנדס שבבים נפגשים בבית קפה בקמפוס? לא, לא מדובר בבדיחה, אלא בפרויקט חוצה פקולטות ובתי ספר, שהוליד רובוט עם אוזן אמתית על שבב, ששומע ומגיב לקולות. בתעשייה הביטחונית כבר מביעים עניין, והחוקרים מבטיחים שמכאן השמיים הם הגבול.

 

למה דווקא חגב?

פרופ' יוסי יובל, מבית הספר לזואולוגיה, ,ממוזיאון הטבע ע"ש שטיינהרדט מבית הספר להנדסה מכנית בפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן וראש בית ספר סגול למדעי המוח, פרופ' אמיר אילי, גם הוא מבית הספר לזואולוגיה ומבית הספר סגול למדעי המוח, וד"ר בן מעוז מהפקולטה להנדסה ומבית הספר סגול למדעי המוח, רצו לדעת האם זה אפשרי לבנות מערכת ביו-היברידית, שתשלב מערכת ביולוגית בתוך רובוט. מי שהרימה את הכפפה היא עידן פישל, שעשתה תואר שני בהנחיית שלושת החוקרים והביאה את הפרויקט למאמר מדעי, שפורסם לאחרונה בעיתון Sensors.

 

לניסוי המהפכני בחרו החוקרים באוזן של חגב, חרק בעל אברי קול ושמע מפותחים. "רצינו להראות שאנחנו יכולים לעשות אינטגרציה בין מערכת ביולוגית ואלקטרונית, ובחוש השמיעה יש סנסורים חשמליים שמתאימים למשימה", מסביר ד"ר מעוז. "לחרקים יש מערכות שמיעה שהן פשוטות מבנית, אך עושות עיבוד נתונים מורכב. יחד עם זה, המערכת אדפטיבית, היא קלת משקל וקטנה בממדים שלה, וקלה יותר לשימוש מאשר אוזן של יונק למשל", מוסיפה עידן פישל, שהובילה את המחקר.

 

במחקר, שארך כשנתיים, לקחו חלק גם נטע שביל - דוקטורנית בהנחיה משותפת של השלושה, ד"ר אנטון שיינין ויוני עמית.

 

אוזן קשבת

החוקרים בודדו אוזן של חגב. אחרי שהוכיחו שהמערכת ממשיכה לעבוד באופן תקין, בנו פלטפורמת אוזן-על-שבב, שבעזרתה אפשר לקלוט את האותות שמגיעים לאוזן ולערוך הקלטה אלקטרו-פיזיולוגית של פעילותה, וחיברו אותה לרובוט. התוצאה: כשמשמיעים צליל, האוזן הביולוגית שומעת, ממש כפי שקורה בגוף האדם. האות הקולי הופך לאות חשמלי ומגיע לרובוט, שיודע להגיב בהתאם.

 

"גלי הקול גורמים לתזוזה של עור התוף של החגב, שמפעיל את המכנו-רצפטורים של אוזן החגב, בדומה לשערות האוזן שקיימות אצלנו. הן יודעות להמיר את הוויברציה המכנית לאות חשמלי, שיוצא דרך עצב השמיעה, מגיע אל המוח ומעביר את המידע", מסבירה עידן. "אחרי שהוכחנו שהמערכת ממשיכה לעבוד באופן תקין, שמנו אותה על שבב ומיקמנו אותה על הרובוט".

 

את השבב שתומך באוזן, בנה צוות החוקרים בעזרת תוכנה ומדפסת תלת ממד. "הייתי צריכה לתכנן שבב שיהיה מודולרי, כדי שאפשר יהיה לשים אותו על הרובוט, שהוא יוכל לחוש את הפעילות החשמלית של מערכת השמיעה, ושמבחינה פיזיולוגית ומבחינה מבנית הוא יתאים למערכת השמיעה של החגב. כלומר, שהוא יאפשר מצד אחד סביבה מימית, אך מצד שני יאפשר כניסה של אוויר ושל גלי הקול, בדומה לאיך שהדבר קורה אצל בעל החיים", מפרטת עידן את תהליך המחקר.

 

את הרובוט, תכנן ובנה יוני עמית, יחד עם עזרתו של ד"ר אנטון שיינין. הרובוט תוכנן כך שיהיה מודולרי ויוכל בקלות להיות מתוכנת להגיב לצלילים שונים.

 

מכינה מקום לאוזן על השבב. עידן פישל

 

רובוט ביו-היברידי בהאזנה

"האתגר העיקרי היה להפוך את המערכת הקיימת לדבר מודולרי. הפלטפורמה קטנה מאוד, והרעיון הוא שאפשר יהיה להרכיב אותה על משהו בגודל של טלפון סלולרי", מסכימים ד"ר מעוז, פרופ' יובל ופרופ' אילי. "כמו כן, שילוב הכוחות ביננו הוביל לגישור על 'פערי שפה' שקיימים בין תחומי המחקר שלנו ואיתגר את הסטודנטים והסטודנטיות, שהסכימו להשתתף במחקר ולהיות פתוחים לשגעונות חדשים", מוסיף פרופ' אילי בחיוך.

 

"חשוב לזכור שהאתגר הוא אדיר. לכן כשהחלטנו להתחיל בחרנו ללכת על משהו שקל להשוות אותו למערכות קיימות, כמו למשל מיקרופון או רמקול, אבל אנחנו בטוחים שניתן לקחת את הפרויקט למקומות נוספים, כמו למשל איברי שמיעה של חרקים נוספים, ריח, ראייה – חושים אחרים ששם לחרקים יש יתרונות אדירים," אומר ד"ר מעוז.

 

היות והתחום ההיברידי נושא הבטחה גדולה, גופים רבים מתעניינים במחקר. "השלב הבא יכלול שילוב של machine learning, גם בצד שקורא את הסנסור הביולוגי וגם בצד שמפעיל את המנועים. כלומר, נחקה את הטבע גם באלגוריתמיקה," מגלה פרופ' יובל. "בעתיד, רובוט כזה יוכל לגלות חומרי נפץ או אנשים שאבדו. אולי יהיו נחילים של רובוטים, שידברו ביניהם וכל אחד מהם יהיה מצויד בחיישנים, כיד הדמיון הטובה", אומר פרופ' אילי.

 

"בנינו מערכת שהיא ביו-היברידית: יש בה גם רכיבים ביולוגיים וגם רכיבים חשמליים. כשהקונספט הזה של שילוב עובד – אין סוף לאפשרויות. ניתן יהיה לעשות אפליקציות עתידניות, כמו לדוגמא לחבר שתי אוזניים לצ'יפ לצורך איכון, נוכל ליצור רובוטים שמשלבים מספר חושים, לדוגמא מערכת שמיעה וראייה על גבי אותו הרובוט. יכול מאוד להיות שאפילו השמיים הם לא הגבול", מסכמת עידן.

 

 

מחיאות כפיים! הוא שומע! הרובוט הביו-היברידי מגיב לקול

פרופ' תמיר טולר וד"ר אייל אפרגן

מחקר

04.01.2021
חלב פרה – הדור הבא

חוקרים מעריכים: ניתן לייצר חלב משמרים, שהוא זהה בטעם ובצבע לחלב פרה

 

  • הנדסה וטכנולוגיה

האם פיתוח טכנולוגי חדש של חוקרי אוניברסיטת תל אביב צפוי לשנות בקרוב את האופן שבו אנו צורכים מוצרי חלב? יוזמי הפיתוח מעריכים שבעתיד הלא רחוק, נוכל לקנות בסופר מוצרי חלב שיהיו זהים בטעם ובצבע למוצרי החלב הרגילים שאנחנו צורכים, אבל  בהבדל אחד קטן: מוצרי החלב הללו יופקו משמרים ולא מחלב פרה. מאחורי הפיתוח עומד פרופ' תמיר טולר מהמחלקה להנדסה ביו-רפואית בפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן, שהקים ביחד עם יזם הפודטק ד"ר אייל אפרגן את חברת הסטארט אפ 'אימג'נדיירי' ("חלב דמיוני"), אשר מנסה לעשות את הבלתי אפשרי: להפיק חלב פרה משמרים.

 

שומרים על הסביבה ומונעים פגיעה בבעליי חיים

בשנים האחרונות, עם המודעות לנזק הסביבתי, הבריאותי והמוסרי של תעשיית החלב, חברות ביו-טכנולוגיה בכל העולם מחפשות אחר תחליפי חלב. חברת 'אימג'נדיירי' זיהתה את הפוטנציאל בשימוש של פיתוח חלבונים לתעשיית המזון, ובעזרת החיבור לאוניברסיטת תל אביב ולחברת רמות (חברת מסחור הטכנולוגיות של אוניברסיטת תל אביב), פועלת לפיתוח ולייצור חלבוני חלב, שזהים לחלבוני החלב שכולנו מכירים, בשאיפה לשחרר את תעשיית החלב מהתלות בבעלי חיים.

 

"המטרה של 'אימג'נדיירי' היא לייצר חלב מתורבת, שישמר את כל הערכים התזונתיים החשובים של חלב מן החי, עם אותו הטעם, הריח והמרקם המוכרים לכולנו, אך ללא הסבל שנגרם לפרות וללא ההרס הסביבתי", מסביר פרופ' טולר. למעשה, החלב והגבינות של 'אימג'נדיירי' יהיו בריאים בהרבה ממוצרי חלב מן החי, שכן הם לא יכילו כולסטרול, לקטוז או תאים סומטיים.

 

"הסטארטאפ שלנו כולל גם מהנדסי מזון ומומחי מזון מחברת שטראוס", מספר פרופ' טולר, "ובימים אלה הם מנסים לייצר גבינה מחלבוני החלב שבשמרים. מדובר בתהליך ממושך של שיפור התפוקה והטעם, וכמובן גם המחיר. צריך להבין שלא מדובר בתחליפי חלב כמו שקדים וסויה. בסופו של דבר אנחנו שואפים להגיע למוצרי חלב, שיהיו זהים למוצרים מן החי".

 

"הטכנולוגיה פורצת הדרך של פרופ' טולר יכולה לחולל שינוי משמעותי בתעשיית החלב כפי שאנו מכירים כיום", אומרת קרן פרימור כהן, מנכ"לית רמות.

 

ליצור חלבון באמצעות תהליך ביטוי גנים

המעבדה של פרופ' טולר מתמחה מזה כעשור במידול ביטוי גנים, בין היתר על ידי שימוש בסימולציות של תהליכים תוך-תאיים, במידול חישובי של אבולוציה מולקולרית ובאלגוריתמים ייעודיים. בין השאר, המודלים האלה משמשים כדי לייעל ולהוזיל את התפוקה של חלבונים הטרולוגיים (חלבונים שהמקור שלהם מאורגניזם אחר). הטכנולוגיה של פרופ' טולר נוסתה בעבר בהצלחה באורגניזמים שונים כגון שמרים, חיידקים, מיקרו-אצות ואפילו בווירוסים, לפתרון בעיות שונות כגון יצירה של חיסונים, נוגדנים, ביו-סנסורים ואנרגיה ירוקה.

 

"הגנום של כל יצור חי מכיל גנים, שמקודדים את ה'מתכון' של החלבונים, כלומר את רצף חומצות האמינו שלו. אבל הוא גם מכיל אינפורמציה שמקודדת את התהליך המורכב שנקרא 'ביטוי גנים', כלומר העיתוי וקצב הייצור של החלבונים", מסביר פרופ' טולר. "ביטוי גנים זה הוא בעצם תהליך, הכולל את המעבר מרצף דנ"א 'דומם' לחלבונים, שהם 'מהות החיים' עצמם ומהווים רכיב מרכזי בכל דבר חי שאנחנו מכירים, החל בבני אדם, דרך וירוס הקורונה ועד לחלב פרה. כבר הרבה שנים חברות ביוטכנולוגיה רותמות את התהליך על מנת לייצר חלבונים בצורה זולה, כשהרעיון הוא לקחת גן מיצור אחד ולשתול אותו בגנום של יצור אחר, כדי שהוא ישמש כ'מפעל' לייצור החלבון שמקודד בגן הזה. הטכנולוגיה הזו משמשת הרבה שנים לייצור תרופות, חיסונים, אנרגיה וגם משמשת את תעשיית המזון".

 

השמרים כבית חרושת לחלבון חלב

"תיאורטית, ניתן להגיע למצב שבו לא ניתן להבדיל בין חלב מפרה לחלב משמר. אבל בשביל שזה יתבצע בצורה כלכלית, צריך לגרום לתאי השמר להפוך לבתי חרושת לחלבוני החלב", מרחיב פרופ' טולר. "למרות שאנחנו יודעים מהם הגנים שמקודדים את החלבונים לחלב בפרה, אם ניקח גן כזה מפרה - הקודים של ביטוי גנים שמקודדים בו יהיו כתובים ב'שפה' של תאי הפרה. לכן האתגר הוא לכתוב מחדש את הגן עם קודים שמתאימים לשמר. זה יאפשר לייצר את חלבוני החלב בצורה נכונה, זולה ויעילה ב'מפעל' שהוא תא השמר".

 

"בעזרת המודלים שפיתחנו במעבדה, אנחנו מאמינים שתוך זמן לא רב נצליח לגרום לשמר לייצר חלבוני חלב בצורה יעילה, שתאפשר גם ייצור תעשייתי, זול ואיכותי. כבר היו ניסיונות להפיק חלב ממיקרופלורה, אבל כדי שבאמת נחולל שינוי, צריך להגיע למצב שבו השמרים מפיקים חלב במחיר שמתחרה בתעשיית החלב. אני מאמין שאנחנו בדרך הנכונה, ובעוד זמן לא רב נוכל להכין לנו בבית טוסטים מגבינה צהובה, שהופקה משמרים ולא מחלב פרה".

 

שמרים. יחליפו את הפרה בייצור חלב?

מחקר

14.12.2020
מדליקים את האור וקוטלים את נגיף הקורונה

לראשונה בעולם, חוקרים הוכיחו שניתן לקטול את נגיף הקורונה באמצעות נורות LED בתדרים שונים

 

  • הנדסה וטכנולוגיה

מהפכה בתחום החיטוי? חוקרים מאוניברסיטת תל אביב הוכיחו שניתן לקטול את נגיף הקורונה ביעילות, במהירות ובעלות נמוכה – באמצעות דיודות פולטות אור (LED) בתחום העל-סגול (UV). מדובר במחקר ראשון מסוגו בעולם שנערך על חיטוי נגיף ממשפחת הקורונה באמצעות הקרנת UV-LED. "כל העולם מחפש עכשיו פתרונות חיטוי יעילים נגד נגיף הקורונה", אומרת פרופ' הדס ממן, ראשת התוכנית להנדסת סביבה של הפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן וחוקרת במרכז הננו-מדע והננוטכנולוגיה באוניברסיטת תל אביב.

 

"הבעיה היא שכדי לחטא אוטובוס, רכבת, אולם ספורט או מטוס באמצעות ריסוס כימי, צריך כוח אדם פיזי, וכדי שהריסוס יהיה יעיל צריך לתת לחומר הכימי זמן לפעול את פועלו על המשטח. אנחנו יודעים, למשל, שלצוותים הרפואיים אין זמן לחטא ידנית למשל את המקלדות של המחשבים בבתי חולים ומשטחים אחרים – והתוצאה היא הדבקה והשבתה. לעומת זאת, את מערכות החיטוי המבוססות על נורות לד אפשר להתקין למשל במערכת האוורור ובמזגן, ושהיא תחטא את האוויר הנשאב אליה שנפלט לחלל החדר לאחר חיטוי".

 

את המחקר הובילה פרופ' ממן, והוא נערך בשיתוף עם פרופ' יורם גרשמן ממכללת אורנים, ד"ר מיכל מנדלבוים מנהלת המרכז הלאומי לשפעת ונגיפי נשימה מתל השומר, ונחמיה פרידמן מתל השומר. המאמר פורסם בכתב העת Journal of Photochemistry and Photobiology: Biology.

 

במסגרת המחקר, החוקרים החליטו לבדוק מהו אורך הגל האופטימלי לקטילת נגיף הקורונה, ומצאו כי לאורך של 285 ננומטר יעילות קטילה דומה לזו של 265 ננומטר, כאשר נדרשת פחות מחצי דקה כדי לקטול יותר מ 99.9% מנגיפי הקורונה. התוצאה הזאת משמעותית, כי עלות נורות הלדים סביב 285 ננומטר נמוכה בהרבה מנורות לד סביב 265 ננומטר, והן גם זמינות יותר בשוק. הפיתוח המדעי יאפשר בהמשך לתעשייה לעשות את ההתאמות הנדרשות ולהתקין את הנורות במערכות רובוטיות או במערכות מיזוג אוויר, במערכות שאיבת אבק ובמערכות מים, וכך לחטא ביעילות משטחים וחללים גדולים. פרופ' ממן מעריכה שהטכנולוגיה תהיה זמינה לשימוש בקרוב.

 

פיתרון פשוט וזול

"גילינו שדי פשוט לקטול את נגיף הקורונה באמצעות נורות לד שמקרינות אור על-סגול", מסבירה פרופ' ממן. "אבל לא פחות חשוב מזה – קטלנו את הנגיפים באמצעות נורות לד זולות וזמינות יותר, שצורכות מעט אנרגיה ואינן מכילות כספית כמו נורות רגילות. למחקר שלנו יש השלכות מסחריות וחברתיות, עם יכולת לשלב נורות לד כאלו בכל מערכות חיינו, בבטיחות ובמהירות. כמובן, כמו תמיד בנושא הזה של קרינה על-סגולה, חשוב להבהיר לאנשים שמסוכן לנסות ולחטא כך משטחים בבית. צריך לדעת איך לתכנן את המערכות הללו ואיך לעבוד איתן ולא להיחשף לאור באופן ישיר". 

 

יובהר כי הקרנה על-סגולה היא שיטה נפוצה לקטילת חיידקים ונגיפים, ורובנו מכירים נורות חיטוי כאלו ממטהרי המים, דוגמת תמי4. קרינת ה-UV פוגעת בעיקר בחומצות הגרעין. בשנה שעברה רשם צוות החוקרים בהובלת פרופ' ממן ופרופ' גרשמן פטנט על שילוב תדרי UV שונים, שמביא לפגיעה דו-מערכתית במטען הגנטי ובחלבונים של החיידקים והנגיפים – ולא מאפשר להם להתאושש. "בעתיד אנחנו נרצה לבחון את השילוב הייחודי שלנו של מגנוני נזק משולבים על גבי משטחים שונים, אוויר ומים."

 

 

מחקר

30.11.2020
תוך כדי תנועה

פיתוח טכנולוגי חדש יאפשר לצלם חפצים, בני אדם ובעלי חיים בזמן שהם זזים, תוך שמירה על חדות התמונה

  • הנדסה וטכנולוגיה

יותר לא נשמע את המשפט "לא לזוז! מצלמים!". חוקרים מאוניברסיטת תל אביב פיתחו תהליך צילום, שמאפשר צילום חד וברור של עצמים נעים מבלי שהתזוזה "נמרחת" על התמונה. הפיתוח כולל רכיב אופטי, שמקודד מידע על תזוזה ומבצע עיבוד דיגיטלי מותאם.

 

לצבוע את התנועה

"המונח 'חשיפה ארוכה' מתייחס תמיד למהירות העצם המצולם", מסביר הדוקטורנט שי אלמלם מבית הספר להנדסת חשמל בפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן, שפיתח את שיטת העיבוד המשולבת, בהנחיית פרופ' עמנואל מרום ז"ל וד"ר רג'א ג'יריס. "כשמצלמים מכונית מרוץ, גם חשיפה של עשירית שנייה עלולה להיות ארוכה מדי, ואם המצולם הוא אדם הולך – חשיפה ארוכה תיחשב לכזו של שנייה או יותר. בגישה המקובלת כיום, מתכננים עדשה שתייצר את התמונה הטובה ביותר, כלומר הדומה ביותר למה שרואה העין האנושית, ואחר כך מנסים לפתור את העיוותים בעיבוד דיגיטלי. אבל כמו שיודע כל בעל טלפון סלולרי שמצוייד במצלמה – היא לא תמיד יעילה, ולכן עדיין קשה מאוד לצלם עצמים זזים".

 

על ידי תכנון משולב של הרכיבים האופטיים ושל האלגוריתמים שמעבדים את התמונות, אלמלם ועמיתיו שתלו בתמונה הגולמית רמזים לנתוני התנועה, שהאלגוריתם יודע לקרוא ולתקן. הרמזים נשתלו באמצעות שני רכיבים אופטיים, שמשולבים בעדשה רגילה: לוחית פאזה שקופה שפותחה על ידי החוקרים, ועדשת מיקוד (פוקוס) אלקטרונית מסחרית. הלוחית מכילה מבנה אופטי-מיקרומטרי, שנועד ליצור תלות בין הצבע למיקוד, ואילו עדשת המיקוד מתוזמנת כך שתבצע שינוי מיקוד הדרגתי תוך כדי הצילום. כתוצאה מכך, עצמים נעים נצבעים בצבעים שונים בזמן התנועה. קידוד הצבעים מאפשר לאלגוריתם לפענח את כיוון ומהירות התנועה של העצם, מה שמאפשר לו לתקן את המריחה ולשחזר את חדות התמונה. תוצאות המחקר החדשני התפרסמו בכתב העת היוקרתי Optica.

 

הסוף למריחות

"בכל שבריר שנייה של חשיפה, המצלמה שלנו מצלמת בצורה קצת שונה, כך שמריחה של עצם זז לא תהיה אחידה, אלא תשתנה עם התנועה", מסביר אלמלם. "כדי להבין לאן וכמה מהר זז העצם בתמונה, אנחנו משתמשים בצבע. כך לדוגמא, כדור לבן שאזרוק פתאום לתוך הפריים ייצבע בצבעים שונים לאורך התנועה שלו, בדומה להעברת אור דרך מנסרה, ולפי הצבעים האלה האלגוריתם שלנו ידע מאיפה הכדור נזרק ובאיזו מהירות, וכך יוכל לתקן את המריחה. אם במצלמה רגילה היינו רואים שובל לבן, שהיה מעוות את החדות של התמונה כולה, במצלמה שלנו התוצאה הסופית תהיה כדור לבן ברור ומפוקס".

 

לדברי אלמלם, המערכת האופטית שפיתחו יכולה לשפר כל מצלמה בעלות מינימלית. "הפוטנציאל רחב מאוד: משימוש בסיסי כמו במצלמות של טלפונים, ועד לשימושים מחקריים, רפואיים ותעשייתיים, ואפילו לבקרים של קווי ייצור, מיקרוסקופים וטלסקופים. כולם סובלים מאותה בעיה של מריחות, ואנחנו מציעים פתרון מערכתי לבעיה הזאת". הפיתוח כבר נרשם כפטנט, ומספר חברות כבר הביעו עניין ברכישתו באמצעות חברת רמות למסחור הטכנולוגיה של אוניברסיטת תל אביב.

 

פרופ' מרום נפטר במהלך המחקר, והמאמר שפורסם הוקדש לזכרו. פרופ' מרום ז"ל היה ממקימי הפקולטה להנדסה באוניברסיטת תל אביב, שימש כדקאן הפקולטה בשנים 1983-1980, וכסגן נשיא האוניברסיטה בשנים 1997-1992. לאחר שפרש לגמלאות המשיך פרופ' מרום לעסוק במחקר פעיל ולהנחות סטודנטים לתארים מתקדמים, ממש עד יומו האחרון.

עומר גבירצמן וחבורת הרובוטים החברתיים (צילום: נועם תור)

מחקר

01.09.2020
רובוט, למד אותי לשון

הרובוטים החברתיים שהזניקו את הישגי התלמידים הצעירים בשפה בעשרות אחוזים

  • הנדסה וטכנולוגיה
  • רוח

'הילדים של היום הם לא הילדים של פעם', יגידו לכם כל ההורים בני כל הגילאים. זה כבר לא סוד ששיטות לימוד רבות שהיו נהוגות עד לא מזמן נחשבות מיושנות, ושילדי שנות ה-2000 זקוקים לגירויים ולשיטות לימוד חדשות ומרעננות, שימשכו ויעניינו אותם. מחקר ייחודי שנערך במעבדה לסקרנות של הפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן הראה שלמידה חווייתית באמצעות רובוטים חברתיים עשויה לשפר משמעותית את הישגי התלמידים. הרובוט פטריק, שפותח במעבדה, לימד ילדים בני 9-5 לפענח שורשים של מילים והוביל לזינוק חד בידע שהפגינו.

 

ללמוד תוך כדי קפיצה

את המחקר ערכו ד"ר גורן גורדון מהמעבדה לסקרנות מהפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן וד"ר עינת גונן מהחוג ללשון העברית ולבלשנות שמית מהפקולטה למדעי הרוח ע"ש לסטר וסאלי אנטין, ומי שכיכב בו לצד התלמידים הצעירים הוא הרובוט פטריק, שתוכנן על ידי הדוקטורנט עומר גבירצמן והודפס בהדפסת תלת ממד במעבדת הסקרנות. המחקר צפוי להתפרסם בקרוב בכתב העת International Journal of Social Robotics.

 

בשלב הראשון נבדק הידע המקדמי של הילדים. המחקר שבחן מודעות מורפולוגית, כלל כ-50 ילדים בגילאי 9-5 שלמדו לזהות שורשי פעלים ושמות עצם. לאחר אימון קצר בחילוץ שורשי מילים, נבדק הידע המקדמי של הילדים המבוסס על מה שלמדו במערכת החינוך, ונמצא שאף הילדים הגדולים בקבוצה הפגינו יכולת מועטה בזיהוי פעיל של שורשים. הילדים ענו נכון רק על 1.9 תשובות נכונות בממוצע, מתוך 10 השאלות שהוצגו בפניהם.

 

בשלב הבא, הוא שלב הניסוי, שנמשך שלושה שבועות, השתתפו הילדים בשלושה עד חמישה שיעורים בני 15-7 דקות בהנחיית הרובוט, במהלכם הוא לימד אותם לזהות שורשים של פעלים ושמות, כגון התגלגלנו, התנהג, מחשב, מזרקה, מנעול, תלבושת ואפילו של פעלים משורשים שאינם קיימים (כגון זילתנו והתרלש).

 

באמצעות סדרה של שאלות ותשובות והצגה של מילים ושורשיהן בנעימה ריתמית קבועה, פיתחו הילדים את המיומנות לחלץ את שורשי המילים. אולם בניגוד לשיעורים בבית הספר, שבהם הילדים יושבים במקומותיהם לאורך השיעור, הרובוט פטריק גם הפעיל את הילדים בפעילויות שונות, וביקש תוך כדי פעילות לזהות את השורשים הרלוונטיים. כך למשל ביקש הרובוט מהילדים לקפוץ בחדר ולצעוק את השורש של הפועל "לקפוץ", לחייך ולומר את השורש של הפועל "לחייך". לאחר מכן אמר הרובוט בעצמו את התשובה הנכונה ושיבח את הילדים על השתתפותם.

 

תכירו את המורה החדש לשפה. הרובוט פטריק מתכונן לשיעור

 

לפעמים הגיל הוא התרגיל

בתום סדרת השיעורים נבדק הידע שרכשו הילדים. מסתבר שהישגי התלמידים זינקו מ-20% הצלחה ל-70% הצלחה: עלייה מ-1.9 תשובות נכונות מתוך 10 שאלות (לפני הניסוי) ל-7.07 בממוצע (לאחר הניסוי). תוצאה מעניינת במיוחד נרשמה בניתוח ההתאמה שבין הגיל להישגים: כצפוי, בקרב הילדים הגדולים נרשם שיפור משמעותי בהישגים. אולם הפתעה נרשמה בקרב הילדים הצעירים: בעוד שילדים בגילאי הגן הגיעו לניסוי עם ידע מועט בהשוואה לילדים הגדולים יותר, במהלך הלמידה הם השתפרו יותר והגיעו להישגים דומים לאלו של הגדולים יותר במבדק המסכם.

 

ד"ר גורן גורדון מסביר כי במעבדת הסקרנות שלו שוקדים על פיתוח רובוטים חברתיים למטרות חינוך והוראה, כך שאפשר יהיה ללמד תכנים לימודיים באופן חווייתי ומהנה ובעלות נמוכה. אחד הרובוטים, פטריק (Patricc), שפותח במעבדה ואף הודפס בה, הותאם לשיטת הלימוד שפיתחה ד"ר גונן, שמתבססת על הקניית מודעות מורפולוגית אקטיבית לזיהוי שורשים בגיל הילדות.

 

"על רקע משבר הקורונה, שבו נדרשת מערכת החינוך לפתרונות יצירתיים, אין כל ספק שלימוד באמצעות רובוטים יכול לסייע להתארגנות במוסדות החינוך מתוך הקפדה על הנחיות משרד הבריאות, בקבוצות קטנות, בצורה חווייתית ובלימוד תכנים חדשניים", אומרת ד"ר גונן. "הרובוטים מנגישים חומרים מתוחכמים גם לילדים צעירים מאוד ובאופן משחקי ומהנה, ששומר על הקשר עם קבוצת העמיתים. בתחום הוראת השפה הרובוטים מאפשרים הבנה עמוקה יותר של החומר, שכן בניגוד להוראה המקובלת בבית הספר, הנשענת על חילוץ שורשים מתמונת המילה הכתובה על ידי מחיקת אותיות מיותרות, הוראת הרובוטים כולה נעשית בעל פה".

 

"רובוטים חברתיים יכולים להיות עוזרי הוראה בכל מערכת החינוך, גם בקרב הגילאים הצעירים וגם בקרב תלמידי תיכון", אומרים ד"ר גורדון וד"ר גונן ומסכמים: "הרובוטים יכולים ללמד בצורה אפקטיבית תוכן בהקשרים שונים, בהוראה פרטנית, בקבוצות או למול כיתה שלמה. בתחום השפה, ניתן בעזרת הרובוטים החברתיים לקרב את הילדים לשפה, לייצר חוויית הצלחה ולנצל את חלון ההזדמנויות בעודם צעירים להציב רף גבוה, כך שתיווצר תשתית קוגניטיבית להעמקה בגיל בוגר. המורים הם, כמובן, הבסיס לכל הוראה בכיתה, אך הרובוטים עשויים להעשיר מאוד את חוויית ההוראה וללמד אף תכנים שברגיל אינם נלמדים".

מחקר

03.08.2020
כיפת הברזל של מגפות ויראליות וירטואליות

ד"ר דן ימין יודע לאתר כל סוג של התפרצות מידבקת – גם מחלות ויראליות וגם שיח פוגעני ברשתות חברתיות

  • הנדסה וטכנולוגיה

ד"ר דן ימין מאוניברסיטת תל אביב פיתח מערכת למעקב אחר נתונים שניתן ליישמה על מחלות מידבקות כמו נגיף הקורונה, וגם על שיח פוגעני ברשתות החברתיות, בעזרת מעקב אחר הגורם המשותף בשני המקרים – התנהגות אנושית.

 

ד"ר ימין, ראש המעבדה למידול ולניתוח מגפות בפקולטה להנדסה ע"ש פליישמן, אומר שגישתו מבוססת על הגורם החסר באפידמיולוגיה המסורתית – נתונים על הגורם האנושי. "במרכזו של כל תהליך הדבקה ניתן למצוא דפוסי מגע והתערבבות," מסביר ד"ר ימין. "דפוסים אלה מייצגים את האינטראקציות החברתיות של פרטים בחברה." הוא מוסיף כי בכל הנוגע להתפשטות מחלות, "מי שאינו מביא גורמים אלה בחשבון מחטיא לחלוטין את לב העניין."

 

ד"ר ימין שיתף פעולה עם פרופ' עירד בן גל, ראש המעבדה לבינה מלאכותית, למידה חישובית וניתוח נתונים (LAMBDA) באוניברסיטת תל אביב. השניים פיתחו כלי לחיזוי דינמיקת הדבקה המתבסס על מעקב אחר תנועת אנשים ממקום למקום באמצעות טלפונים ניידים. כשפרצה מגפת הקורונה בישראל ייעץ ד"ר ימין למשרד הבריאות וחזה התפרצויות מקומיות באמצעות שיטה זו.

 

"הכלי שפיתחנו מסייע באיתור מקומי של הנגיף, וגם מייצר סימולציות של התפשטות הנגיף – שצופות מה יקרה אם מדיניות זו או אחרת תיושם בשטח," הוא אומר. כך לדוגמה המליצה קבוצתו של ד"ר ימין למשרד הבריאות לפתוח מחדש את מעונות היום, על סמך הנתונים שנאספו.

 

בנוסף מצא ד"ר ימין כי סגר ממוקד המוטל על קבוצות אוכלוסייה בסיכון גבוה ועל מקבצי הדבקה מקומיים הינו יעיל עד פי 5 בצמצום התמותה בהשוואה לאסטרטגיה של סגר כלל-ארצי. ממצא זה עזר לממשלת ישראל לאמץ את הגישה הנוכחית של סגרים ממוקדים.

 

מאז חלפו מספר חודשים, וכיום מפתחים ד"ר ימין וקבוצתו כלי לאיתור מוקדם של חולי קורונה על סמך חיישנים בטלפון הנייד, המודדים מספר צעדים, הרגלי שינה ופרמטרים נוספים.

 

חושבים ויראלי, מצייצים ויראלי

את הפוסט-דוקטורט שלו השלים ד"ר ימין באוניברסיטת ייל בארה"ב. בעת שהותו שם, הטריד אותו השיח האנטי-ישראלי שראה ברשתות החברתיות. הוא קישר בין הידע שלו על מחלות לבין האופן שבו פוסטים וציוצים הופכים "ויראליים" גם ברשתות חברתיות.

 

על סמך דפוסי ההדבקה של מחלות שחקר במסגרת עבודתו המדעית, החל ד"ר ימין לבנות מערכת הנעזרת בבינה מלאכותית,על מנת לזהות כיצד קבוצות מסוימות משתמשות בטקטיקות שיווק ויראליות כדי להפיץ מסרים אנטישמיים ואנטי-ישראליים.

 

המערכת, המכונה 'כיפת ברזל של הרשתות החברתיות', נועדה לזהות ולעקוב אחר תכנים בעלי פוטנציאל להפוך לוויראליים במונחי הרשתות החברתיות. ד"ר ימין מסביר שאנשים המעבירים ציוצים הלאה ללא מחשבה יתרה דומים מאוד לנשאים אסימפטומטיים של מחלה מידבקת. רבים ממשתמשי טוויטר מעבירים שלא בכוונה מידע בעל מסרים אנטישמיים גלויים או סמויים.

 

הבחירה מתי להגיב ברשתות החברתיות היא עניין רגיש. לפיכך מציע ד"ר ימין להשתמש בבינה מלאכותית, כמו זו שבמערכת 'כיפת הברזל' שפיתח, כדי לסייע בתהליך קבלת ההחלטות. "לא תמיד כתיבה פעילה בעד ישראל ברשתות החברתית היא הגישה הטובה ביותר," הוא אומר. "מרבית הציוצים האנטי-ישראליים אינם ויראליים, אז למה לבזבז זמן על ציוצים שממילא לא יגיעו לשום מקום?"

 

הדור הבא של בקרת מחלות

כיום, כשמדינת ישראל והעולם כולו מתמודדים עם הגל השני של הקורונה, קובע ד"ר ימין כי "בינתיים עלינו לחיות עם הנגיף הזה. אם ננהג באחריות ונשמור על שגרת החיים של הרוב הגדול של האוכלוסייה, לא נגיע לקטסטרופה."

 

במבט קדימה, ד"ר ימין מאמין כי שיטות מבוססות-נתונים כמו זו שפיתח הינן קריטיות לניהול מחלות נגיפיות. לפיכך, הוא יכהן כחבר מרכזי במרכז הרב-תחומי למלחמה במגפות של אוניברסיטת תל אביב – המרכז הראשון מסוגו בעולם. "מערכות נתונים כמו זו שפיתחנו יכולות לשפר במידה ניכרת את הדיוק של אבחונים רפואיים בעתיד," הוא אומר.

גארי רוזנמן והבריכה הקוונטית

מחקר

27.07.2020
עושים גלים

חוקרים הצליחו למדוד תופעה קוונטית שנחזתה בשנת 1927, ופתרו תעלומה מדעית

  • הנדסה וטכנולוגיה
  • מדעים מדויקים

לראשונה בעולם, צוות חוקרים מאוניברסיטת תל אביב הצליחו ליצור תנאי מעבדה מיוחדים, שאיפשרו להם למדוד בצורה מדעית תופעה קוונטית שנחזתה לפני כמאה שנה, אך מעולם לא נחקרה. במאמץ משותף של בית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר, בית הספר להנדסה מכנית ובית הספר להנדסת חשמל, בשיתוף פעולה עם חוקרים מהמכון לפיזיקה קוונטית באולם שבגרמניה, בנו החוקרים בריכת גלים מיוחדת באורך חמישה מטרים, שמדמה התפשטות גלים קוונטיים. באמצעות הבריכה, צוות החוקרים בהובלת הדוקטורנט גרי גאורגי רוזנמן, פרופ' עדי אריה, פרופ' לב שמר, מטיאס צימרמן, מקסים אפראמוב ופרופ' וולפגנג שלייך, צפו לראשונה בתופעה קוונטית בשם פאזת קנארד, שנחשבת לנדבך מרכזי בתורת הקוונטים, שנחזה בשנת 1927 אבל מעולם לא נמדד במעבדה. התגלית פורצת הדרך הובילה לפרסום שני מאמרים מדעיים ב-Physical Review Letters וב-Physical Review E - Rapid Communications.

 

גלי כבידה בבריכה

מכניקת הקוונטים היא שמה של תיאוריה מדעית, המתארת את עולם החלקיקים ברמה התת-אטומית. אחת מאבני היסוד בתורת הקוונטים היא התיאור הכפול של גופים פיזיקליים, הן כחלקיקים והן כגלים. בדומה לגלים בים, גלים קוונטיים מתארים תנודות מחזוריות במרחב ובזמן, ומתאפיינים בפאזה, או מופע. הפאזה של הגל קובעת האם בנקודה מסוימת במרחב ובזמן יהיה הגל בשיא המשרעת שלו, בשפל המשרעת או בכל מצב ביניים אחר. בשנת 1927 חזה הפיזיקאי התיאורטי ארל הסה קנארד כי חלקיק קוונטי שמופעל עליו כוח קבוע, כמו כוח כבידה על גוף בעל מסה, או שדה חשמלי קבוע על חלקיק טעון חשמלית, יצבור פאזה הקרויה כיום על שמו - פאזת קנארד.

 

"המטרה של המחקר שלנו היא לייצר פלטפורמה שמקיימת אנלוגיה מתמטית שלמה עם משוואת שרדינגר, המשוואה העיקרית של מכניקת הקוונטים, אבל בהתקן ענק שניתן לראותו בעין", מסביר רוזנמן. "הבריכה שלנו מייצרת גלי כבידה משטחיים, שמתנהגים באופן דומה לגלי חומר זעירים בעולם הקוונטי, וכך מאפשרת לנו למדוד תופעות קוונטיות במערכת מקרוסקופית. מבחינה תיאורטית יש תופעות במכניקת הקוונטים שקשה מאוד למדוד, ואנחנו מצאנו דרך לעקוף את המגבלה הזאת".

 

"תחילה זיהינו את השקילות בין מערכת קוונטית שמקיימת את משוואת שרדינגר לבין מערכת הידרודינמית של גלים שמתקדמים על פני מים", אומר רוזנמן וממשיך "בשלב השני, לקחנו את הקשר הזה שלב אחד קדימה ובנינו מערכת שמקיימת את משוואת שרדינגר וגם מפעילה כוח קבוע על הגל. על ידי שינוי הכוחות, אנחנו יכולים לראות במו עינינו כיצד חלקיקים צוברים את הפאזות שנחזו על ידי קנארד באופן תיאורטי. לפאזת קנארד עשויים להיות גם שימושים מעשיים, למשל במדידה רגישה של כוחות או בהבנה כיצד מערכות מאיצות תת-אטומיות פועלות. בימים אלה אנחנו משתמשים בבריכת הגלים כדי לצפות לראשונה באפקטים פיזיקליים אחרים, כמו צבירת הפאזה של גלים הנעים בסמוך לחורים שחורים".

מחקר

05.02.2020
כשהפגם הופך ליתרון: חוקרים יצרו שיטה לשיבוש מבנה של חומרים לפי דרישה

הטכנולוגיה החדשה עשויה לסייע בין היתר בהגנה על אזורים רגישים במצבים של פגיעה מכנית – כמו למשל רכב המעורב בתאונה

  • הנדסה וטכנולוגיה

 

"כולנו מבינים באופן אינטואיטיבי את ההבדל בין גיליון נייר שטוח לבין אותו גיליון, כשאנו מקמטים אותו והופכים אותו לכדור", מסביר פרופ' שוקף מבית הספר להנדסה מכנית. "הדף הוא שטוח וגמיש, ואילו הכדור מקומט וקשיח. במילים אחרות, הכדור הוא מטא-חומר מכני – חומר שתכונותיו המכניות השתנו בעקבות שינוי צורה." אז למה שלא "נקמט" את החומר באופן שיהפוך אותו לגמיש ועמיד בפני פגיעות?

 

חוקרים בהובלת פרופ' יאיר שוקף פיתחו שיטה חדשה לתכנון מטא-חומרים מכניים ולשליטה בתכונותיהם – באמצעות השתלה יזומה של פגמים מבניים בחומר. השיטה עשויה לשמש מהנדסים ומתכננים מתחומים רבים – מתעופה ורכב ועד לאריזות חכמות. המחקר בוצע בשיתוף עם חוקרים במכון AMOLF באמסטרדם ובאוניברסיטת ליידן בהולנד, והתפרסם בכתב העת .Nature Physics

 

הפגמים שעושים את ההבדל

"חיפשנו שיטה שתאפשר לנו לשנות את הצורה והמבנה הפנימי של חומר באופן מבוקר, כדי ליצור מטא-חומר עם תכונות מכניות רצויות. לשם כך שתלנו פגמים במערך של אבני הבניין המרכיבות את המטא-חומר שיצרנו." מסביר פרופ' שוקף.

 

לשבש את שלמות הפאזל

בשלב הראשון תכננו החוקרים מודל של חומר נטול פגמים: מבנה שטוח העשוי מאבני בניין משולשות היוצרות שקעים ובליטות, שמתחברות זו לזו כמו פאזל – בליטה בתוך שקע.

 

בשלב השני הם יצרו במודל פגם מבני: הם סובבו שורה של אבני בניין, כך שהן לא יתחברו עוד באופן הרמוני לחלקים בשורות הסמוכות. "פגם כזה מכונה פגם גלובלי או פגם טופולוגי", אומר פרופ' שוקף.

 

המודל 'הפגום' הוזן למדפסת תלת-מימד, שהדפיסה אותו בחומר ממשי. לדברי פרופ' שוקף, "תוצר ההדפסה היה מטא-חומר מכני חדשני – הראשון שנוצר אי-פעם שיש לו התנהגות א-סימטרית." בניגוד לחומר המושלם, נטול הפגמים, שהוא רך מכל צדדיו, המטא-חומר הפגום הוא רך בצדו האחד וקשיח בצד השני. יותר מכך, כשמחליפים צדדים, לוחצים על צדו האחד ומושכים בצד השני, המצב מתהפך: חלקים קשיחים הופכים לרכים, ולהפך.

 

שינוי במבנה החומר על פי דרישה

"במחקר שלנו פיתחנו פלטפורמה חדשנית לתכנון מטא-חומרים מכניים, שעשויים להתאים למגוון רחב של תחומים ושימושים", מסכם פרופ' שוקף. "הפלטפורמה מתבססת על שתילת פגמים יזומים במערך הפנימי של אבני הבניין, והיא מאפשרת ליצור באופן מבוקר מטא-חומר בעל תכונות מכניות חדשות, על פי דרישה. כך לדוגמה ניתן לתכנן מעטפת למערכות טכנולוגיות שתנתב כל מכה מכנית לאזורים עמידים, ותמנע פגיעה ברכיבים אלקטרוניים עדינים; ריפוד חכם לכוסות שבירות; רכב שבמקרה של תאונה מנתב את כוחות המעיכה הרחק מהנוסעים; ואף 'מלקחיים' ננומטריים שמעבירים כוח מכני מצדם האחד לצדם האחר כדי ללכוד חלקיקים זעירים."

 

מחקר

27.01.2020
"איברים על שבב" – העתיד החדש של פיתוח התרופות

מערכת חדשנית המחברת בין מספר איברים-על-שבב סוללת את הדרך למהפכה בפיתוח תרופות

  • מוח
  • הנדסה וטכנולוגיה

חוקרים מאוניברסיטת תל אביב הצליחו לפתח מערכת חדשנית המחברת בין מספר איברים-על-שבב, ומדמה את פעולתן של מערכות שלמות בגוף האדם. השיטה החדשנית עשויה לחולל מהפכה של ממש בתהליך של פיתוח תרופות, שאורך כיום שנים ארוכות ועולה כסף רב, ולמרות זאת יעילותו חלקית ביותר. יתרון אפשרי נוסף של הטכנולוגיה החדשה הוא מניעת הבעיות האתיות הכרוכות בניסויים בבעלי חיים.

 

המחקרים בוצעו בשיתוף עם אוניברסיטת הרווארד, ובהשתתפות 57 חוקרים ממוסדות מחקר ומחברות לפיתוח תרופות בעולם. שני המאמרים פורסמו בכתב העת Nature Biomedical Engineering בינואר 2020.

 

"פיתוח תרופות כרוך היום בתהליך שאורך 20-10 שנה, ועולה כ-2-1 מיליארד דולר לתרופה," מסביר ד"ר בן מעוז מהמחלקה להנדסה ביו-רפואית ומבית ספר סגול למדעי המוח באוניברסיטת תל אביב, שנמנה על מובילי הפרויקט הבינלאומי. "מתוכו, כ-6-3 שנים מוקדשות לניסויים בתרביות ובבעלי חיים, ועוד כ-8-6 שנים מוקדשות לניסויים קליניים בבני אדם. ולאחר כל המאמץ וההשקעה, מסתבר שהתהליך אינו יעיל: כ-90-60% מהתרופות שמיטיבות עם בעלי חיים נכשלות בבני אדם. מצב זה גורם לחוקרים בכל העולם לחפש הליכים חלופיים לפיתוח תרופות. אחת הטכנולוגיות בעלות הפוטנציאל הגדול ביותר בתחום היא OOC (Organ-on-a-Chip), או בעברית 'איבר-על-שבב." במסגרת השיטה, שפותחה לראשונה ב-2010 באוניברסיטת הרווארד, משתמשים המדענים בתאים מאיבר אנושי מסוים – לב, מוח, כליה, ריאות וכדומה, ובעזרת טכניקות של הנדסת רקמות מניחים אותם במחסנית מפלסטיק – הלא היא השבב.

 

הכי קרוב שיש לאיבר האנושי

בשנים האחרונות פותח בעולם מגוון רחב של 'איברים-על-שבב' המתפקדים כמו האיבר האנושי עצמו.  ד"ר מעוז פיתח לפני כשנתיים איבר-על-שבב המחקה את פעולתו של מחסום הדם-מוח, ובמקומות אחרים פותחו שבבים של לב, כליות, מעיים ועוד. בפרויקט הנוכחי פותחה לראשונה מערכת שמסוגלת לחבר בין השבבים השונים, ומאפשרת לדמות את פעולתן של מערכות שלמות בגוף האדם, ואת תגובתן לתרופות ניסיוניות המוזנות למערכת.

 

המערכת פותחה ונבחנה בשני מחקרים: במחקר הראשון פיתחו החוקרים מערכת רובוטית אוטומטית שיכולה לחבר באופן פשוט ומודולרי בין שבבים של עד 10 איברים שונים, ומאפשרת שליטה בכל חומר שנכנס לכל שבב ויוצא ממנו. בנוסף הם יצרו עבור הרקמות שעל השבבים סביבה ביולוגית מתאימה ותומכת, מעין 'דם מלאכותי', שמאפשר להן לתפקד ולתקשר ביניהן לאורך זמן. החוקרים הציבו במערכת 9 איברים-על-שבב – מוח, מחסום הדם-מוח, ריאות, לב, מח עצם, כליה, מעי, כבד ועור, ונוכחו כי היא פועלת בהצלחה במשך שלושה שבועות לפחות.

 

במחקר השני הוסיפו החוקרים תרופות שונות למערכת האוטומטית, ובדקו כיצד מגיבים האיברים השונים. ראשית הוחדר למערכת ניקוטין, חומר שבדרך כלל נלקח דרך הפה כדי לסייע בגמילה מעישון, ונבחן כיום גם כתרופה למחלות ניווניות ולדלקות כרוניות של המעי.  "עבור תרופות הנלקחות דרך הפה יש חשיבות גדולה לתהליך הקליטה של התרופה בגוף - דרך המעי שסופג אותה, הכבד שמפרק אותה ולבסוף הכליה שמסננת את החומר," אומר ד"ר מעוז. "לכן, עבור הניקוטין, היצבנו בפלטפורמה שלנו שבבים של שלושת האיברים הללו." התרופה השנייה שנבדקה הייתה ציספלטין, מרכיב נפוץ בטיפולים כימותרפיים לסרטן הניתנים דרך הווריד. עבורה הוצבו במערכת שבבים של כבד וכליה, וכן שבב של מח עצם, המושפע מאוד מהתרופה.

 

תוצאות מקבילות למדדים האנושיים

האתגר הבא היה להתאים את התוצאות שנמדדו בפלטפורמה החדשנית לגוף האדם כמערכת כוללת, ולגשר על הפערים ביניהם. לשם כך פיתחו החוקרים מודלים חישוביים שמתרגמים את הערכים שהתקבלו במערכת לתוצאות מקבילות של בדיקות קליניות בבני אדם. ואכן, השילוב בין המערכת האוטומטית של איברים-על-שבב למודלים החישוביים הניב ערכים קרובים מאוד לאלה שנמדדו אצל מטופלים אנושיים בקליניקה.

 

"לראשונה בעולם הצלחנו לפתח פלטפורמת איבר-על-שבב מהימנה וגמישה, שנותנת תוצאות קרובות מאוד לאלה המתקבלות אצל מטופלים אנושיים," מסכם ד"ר מעוז. "כבר היום, לאחר שרשות התרופות האמריקאית (FDA) הודיעה כי היא תומכת בפיתוח איברים-על-שבב שישמשו ככלי תומך לפיתוח תרופות, יכולות חברות ומעבדות העוסקות בתחום להיעזר במערכת שלנו. כמו כן אנו מאמינים ומקווים שבעתיד, לאחר פיתוח נוסף, תוכל הפלטפורמה החדשה לשמש כחלופה לניסויים בבעלי חיים ואף לחלק ניכר מהניסויים הקליניים בבני אדם. כך היא תחסוך שנים של מחקר, כסף רב וגם סבל של בני אדם ובעלי חיים כאחד."

מימין לשמאל: פרופ' טל אלנבוגן, מאי טל ושי קרן-צור

מחקר

19.01.2020
לרכב על הגל

חוקרים פיתחו גלי טרה-הרץ, שיזהו תרופות מזויפות ויאפשרו לבצע בדיקות דימות רפואיות בקרינה לא מייננת

  • הנדסה וטכנולוגיה
  • מדעים מדויקים

כמה פעמים חשבתם פעמיים אם לבצע בדיקה רפואית כלשהי, מחשש לנזק שהיא עלולה לגרום לכם בעקבות החשיפה לקרינה? האם שמעתם על תרופות שנמכרו במחיר זול מהרגיל, אך הסתבר שהן אינן מקוריות? קבוצת חוקרים מהמעבדה לננו אלקטרואופטיקה במחלקה לאלקטרוניקה פיזיקלית בבית הספר להנדסת חשמל באוניברסיטת תל אביב, בראשותו של פרופ' טל אלנבוגן, הצליחה לפתח שיטה חדשה שתזהה את אותן תרופות באמצעות גלי טרה-הרץ, ואף תאפשר את פיתוחם המואץ של מגוון יישומים חדשים וחיוניים בתחומי הרפואה, הטכנולוגיה, הביטחון ועוד.

 

אפילו קיר לא עוצר אותם

גלי טרה-הרץ הם גלים אלקטרומגנטיים באורכי גל קצרים מגלי מיקרו וארוכים מגלים בתחום האינפרה-אדום. לדברי פרופ' אלנבוגן, אחד היתרונות שלהם הוא האינטראקציה הייחודית שלהם עם חומרים. למשל, ניתן להשתמש בגלי טרה-הרץ כדי לזהות באופן מדויק חומרים שונים. בנוסף, גלים אלו יכולים לעבור דרך עצמים שנראים אטומים באורכי גל אחרים, כך שניתן להשתמש בהם על מנת לגלות עצמים נסתרים ואפילו את הרכבם.

 

זו הסיבה ששימוש נרחב בהם יכול לעשות מהפכה בגילוי תרופות המופצות בשוק תחת שמות מסחריים, אך לא יוצרו על ידי יצרן מקורי או כזה שלא מאושר על ידי משרד הבריאות, בזיהוי הרכב חומרים מרחוק ואפילו בהורדת סיכון החשיפה שלנו לגלי קרינה מייננים, כפי שקורה למשל בצילומי רנטגן ובדיקות דימות אחרות כמו CT או בטיפולי הקרנה לחולי סרטן, שלמרות התועלת שבהם, חשיפת יתר עלולה להזיק לבריאותנו.

 

התכונות של גלי טרה-הרץ מוכרות למדע זה זמן רב, אך עד כה היכולים לשלוט בגלים אלו היתה מוגבלת מאוד יחסית לתחומי קרינה אחרים. במעבדתו של פרופ' אלנבוגן, עם הסטודנטים שי קרן-צור ומאי טל , בשיתוף עם פרופ' דניאל מיטלמן מאוניברסיטת בראון בארה"ב וד"ר שר-לי פליישר, חוקר בביה"ס לכימיה באוניברסיטת תל אביב, הצליחו לפתח שיטה חדשה של ייצור ושליטה בגלי טרה-הרץ (Terahertz) תוך שימוש במשטחים מהונדסים בסקאלה ננומטרית, הנקראים מטא-משטחים, אשר יוצרו במרכז הננו של אוניברסיטת תל אביב, בשיטות ננו-טכנולוגיות מתקדמות.

 

תוצאות המחקר התפרסמו לאחרונה בכתבי העת NATURE Communications  ו-Nano Letters ויוצגו בתחילת פברואר 2020 בכנס הבינלאומי לאופטיקה Photonics West  שיערך בסן פרנסיסקו.

 

איך עושים גלים?

במסגרת התהליך יצרו החוקרים משטחים מרוצפים באנטנות ננו-מטריות מזהב (ננומטר שווה ערך למיליארדרית המטר), הקולטות ביעילות אור מלייזרים בעלי פעימות קצרות מאוד, ובתהליך של המרת אנרגיה הן משדרות במקומן פעימות של קרינת טרה-הרץ. על ידי שליטה באנטנות על גבי המטא-משטח הראו החוקרים שניתן לעצב את צורתה המרחבית והזמנית של פעימת הטרה-הרץ, שנוצרה בצורה שלא ניתנת להשגה באמצעים הקיימים עד כה.

 

פרופ' אלנבוגן: "ההדגמה שעשינו במעבדה פורצת דרך, מכיוון שהשימוש בחומרים ננו-מטריים והיכולת לייצר מהם אור בצורה נשלטת, מוסיפים כלים טכנולוגיים חשובים ויכולות חדשות ולוקחים את המחקר בתחום צעד גדול קדימה״.

 

לדבריו, ״היכולת לשלוט באופן מושלם בצורה המרחבית ובמאפיינים נוספים של גלי הטרה-הרץ, כפי שהודגם במחקר, מאפשרת את יישומן ופיתוחן של שיטות דימות מתקדמות, מיקרוסקופיה וספקטרוסקופיה חדשות. כך לדוגמה, ניתן יהיה לזהות מרחוק וללא שימוש בבדיקות מעבדה כימיות הרכב חומרים שונים ואת המבנה המרחבי שלהם בצורה טובה יותר, למשל זיהוי תרופות מזויפות בקלות וכן זיהוי של חומרי נפץ".

 

בשל חשיבותו הרבה זכה המחקר למימון של סוכנות ה-ERC (European Research Council) היוקרתית למענקים מחקריים של האיחוד האירופי ושל משרד המדע והטכנולוגיה.

 

מחקר

01.01.2020
מחשבים מסלול מחדש

מחקרים שהתחילו עם כיוון מסוים והגיעו למקומות אחרים לגמרי

  • הנדסה וטכנולוגיה
  • מדעים מדויקים
  • רוח
  • רפואה ומדעי החיים

תמיד אומרים לנו שהדרך חשובה לא פחות מהמטרה. זה נכון לגבי תחומים רבים בחיים, ובמיוחד למי שעוסק במחקר. גמישות, סקרנות ותשומת לב לפרטים הקטנים יכולות להוביל לחשיפת אוצרות, שבכלל לא יצאנו לחפש. החוקרות והחוקרים שלנו מספרים על מחקרים שקיבלו תפנית, בזכות הפתעות משמחות בשטח ובמעבדות.

 

תסתכלו בקנקן

משלחת חפירה ארכיאולוגית גילתה שלפעמים, ממש כמו בפתגם הידוע, כדאי להסתכל בקנקן. "באחת ממשלחות החפירות במגידו הורדנו את המחיצות המפרידות בין ריבועי החפירה, ומצאנו כלי חרס שלם מלא בעפר", מספרת נעמה ולצר, דוקטורנטית בחוג לארכיאולוגיה ותרבויות המזרח הקדום באוניברסיטת תל אביב.

 

"ארזנו אותו והתכוונו לשלוח אותו למעבדה לבדיקת שיירים מולקולאריים, כדי לגלות מה שמרו בתוך כלי חרס זה, שתוארך לסביבות 1100 לפנה"ס". הכלי נשאר במשרד ולאחר זמן מה התברר שהשימור באזור זה של החפירה לא מספיק טוב. לכן החליט הצוות לרוקן אותו מן העפר, באופן מבוקר כמובן, ושפך את תכולתו על השולחן. "את מה שחיכה לנו שם לא ציפינו למצוא: אוצר תכשיטים יקרי ערך, שנחשב לאחד המטמונים העשירים ביותר מתקופת המקרא שנמצאו בישראל!".

 

חשוב להסתכל בקנקן. כד החרס שנתגלה בחפירות מגידו. צילום באדיבות המכון לארכיאולוגיה ע״ש סוניה ומרקו נדלר

 

בין היתר, נמצאו במטמון תשעה עגילים גדולים וטבעת חותם עם חריטה של דג עשויים זהב, למעלה מאלף חרוזי זהב קטנים, מחרוזות ותכשיטים עשויים כסף. "כך מצאנו את המטמון הגדול של שטח H, שמוצג היום בתצוגה הקבועה של מוזיאון ישראל בירושלים", מסכמת ולצר.

 

אם גם אתם בעניין חפירות ואוצרות, תשמחו לדעת שהרישום לעונת החפירות במגידו בקיץ 2020 בעצומה.

 

עגילים, טבעות וחרוזי זהב. אחד המטמונים העשירים ביותר מתקופת המקרא שנמצאו בישראל. צילום באדיבות המכון לארכיאולוגיה ע״ש סוניה ומרקו נדלר

 

התיעוד הכי ארוך במקום הכי נמוך

מים שקטים חודרים עמוק, עמוק מאוד, ואפילו יכולים לחולל רעידת אדמה של ממש: "חיפשתי מקומות שבהם אפשר לדגום סלע, ששקע בסביבה שקטה על קרקעית אגם ים המלח", נזכר פרופ' שמוליק מרקו, ראש בית הספר לסביבה ולמדעי כדור הארץ ע"ש פורטר.

 

"המטרה הייתה למדוד את התכונות המגנטיות של הסלע, על מנת לשחזר את השינויים שחלו בשדה המגנטי של כדור הארץ בעבר. המידע הזה חיוני להבנת ההתנהגות של השדה, שמהווה אחת התעלומות החשובות בגאולוגיה. לחוקרים אין עדיין הסבר מניח את הדעת למנגנון שגורם לשינויים שחלים בשדה המגנטי, כגון היפוכים מפתיעים או שינויים מתמידים במיקום הקטבים המגנטיים. תוך כדי דגימה בסלעים, שנראו מסודרים כאילו ששום דבר לא הפר את שלוותם מעולם, מצאתי שכבות שנראו מבולגנות. המחקר תפס תפנית לא צפויה, ואחרי שמצאתי הוכחות לכך שאת ה״בלגן״ חוללו רעידות אדמה - זה הפך לנושא העיקרי של המחקר".

 

במקום הכי נמוך. שכבות סלע בים המלח

 

בגלל שסיסמוגרפים מודרניים קיימים רק כמאה שנה, זה זמן קצר מדי בכדי לתעד מספיק רעידות אדמה חזקות באזור מסוים, ולכן אי אפשר לדעת איך האזור מתנהג בפרקי זמן ארוכים. אצלנו בישראל למשל, יש תיעוד החל מתקופת התנ"ך (כ-3,000 שנה), וזה עדיין נחשב מעט. "אבל עכשיו יש לנו תיעוד של רעידות האדמה שקרו בסביבות ים המלח ב-220 אלף השנים האחרונות, שנחשב לשיא עולמי, היות ואין עוד תיעוד כל כך ארוך ורציף בשום מקום בעולם", מסכם פרופ' מרקו.

 

מסודרות ומבולגנות. שכבת סלע שהסדר המקורי בה הופר בין שכבות מסודרות

 

הארה ממקום לא צפוי

לקראת סיום לימודי פוסט-דוקטורט באוניברסיטת ייל, החליטה ד"ר אינס צוקר מהפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן להנחות סטודנט לתואר ראשון במחקר קצר ומבטיח, שההיפותזה שלו התבססה על תוצאות קודמות.

 

אבל כמו שכולנו יודעים, רק דבר אחד בטוח, וכל השאר נתון לשינויים: "מטרת המחקר הייתה להראות הבדל בפגיעה בליפוזומים (מעין כדוריות מיקרוסקופיות בנויות מחלל מוקף ממברנה וממולאות בנוזל פלוריסנטי, המשמשות כיום כלי חשוב הן במחקר אקדמי של ממברנות ביולוגיות והן ברפואה), על ידי ננוחומר בשם MnO2, המיוצר במבנים שונים", מסבירה ד"ר צוקר.

 

"בעבר, הראינו דליפה של חומר פלוריסנטי (כלומר, פגיעה בשלמות הליפוזום), כתלות בתכונות פני השטח של ננוחומרים, והפעם רצינו להראות זאת כתלות במבנה. אבל... למחקר חוקים משלו - לא הצלחנו לזהות שום פגיעה כזו. רגע לפני שהמחקר נגנז, לקחנו את המערכת למיקרוסקופ פלוריסנטי, שבו ראינו למרבה ההפתעה כי הליפוזומים והננוחומר עוברים אינטראקציה מסוג שאינו נצפה בעבר בהקשר זה: הליפוזומים עוטפים את הננוחומר, אבל נשארים ככדוריות שלמות ללא דליפה! זה אכן היה נס גדול ומאיר תרתי משמע".

 

"הרבה פעמים גילויים לא צפויים מפתיעים אותנו". ד"ר צוקר במעבדה

 

הלו ספייסבוי

עוד ערב שגרתי של סקירת חלל בטלסקופ רובוטי על ידי ד"ר יאיר הרכבי מהחוג לאסטרופיזיקה בפקולטה למדעים מדויקים ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר, הוביל לתצפית בתופעה שטרם נראתה כמותה: כוכב שחזר לחיים.

 

"לפני כמה שנים נתקלנו ב'כוכב שלא רצה למות', והמשיך להתפוצץ שוב ושוב", מספר הרכבי. "בכל לילה הטלסקופ היה מוצא המון דברים חדשים, רובם לא מעניינים. גם לגבי הסופרנובה הזו (שהיא כוכב שהתפוצץ) חשבנו בהתחלה שהיא לא מעניינת, כי כשהסקר תפס אותה לראשונה היא הייתה בשלב דעיכת האור וחשבנו שזהו, פספסנו את החלק המעניין. אבל אחרי כמה שבועות שמנו לב שהסופרנובה התחילה להתבהר מחדש, שזה משהו שלא אמור לקרות, ולכן התחלנו להתעניין ולעקוב אחרי הסופרנובה עם טלסקופים נוספים".

 

סופרנובה מתפוצצת במרחק שנות אור

 

"בדרך כלל, בפיצוץ של כוכב עוצמת האור עולה ויורדת ונעלמת אחרי כמה חודשים. במקרה הזה עוצמת האור עלתה וירדה, ואז עשתה זאת ושוב. סה״כ חמש פעמים במשך שנתיים. מה שהפתיע אותנו עוד יותר הוא שגילינו שהכוכב הזה בעצם התפוצץ כבר ב-1954, ואחרי שכוכב מתפוצץ הוא לא אמור להתפוצץ עוד פעם, כי הרי לא אמור להיות יותר כוכב אחרי הפיצוץ. עד היום אף אחד לא מצליח להסביר מה בדיוק קרה שם, ומאז לא ראינו אירוע דומה".

 

אי אפשר לדעת מה יילד לילה. ד"ר הרכבי ומצפה כוכבים בהוואי

 

לא לריב, יש מקום לכולן

קרה לכם פעם שחיפשתם פיתרון לבעיה, ועל הדרך מצאתם תשובה לשאלה נוספת, אחרת לחלוטין? זה בדיוק מה שקרה לפרופ' נועם שומרון מבית הספר לרפואה ע"ש סאקלר.

 

"רצינו לפתור זיהוי של מחלה אחת, ראינו נוספות בדרך ולכן שמנו אותן כמטרה נוספת למחקר", הוא מספר. "עקבנו אחרי אלפי נשים בהריון, כדי לאפיין מולקולות בדם היכולות להוות סמנים מוקדמים לרעלת היריון, שעשויה להופיע רק בקרב נשים הרות, החל מהשבוע ה-20 ואילך. לא רק שמצאנו אותן, אלא גם הצלחנו לאפיין בדרך מולקולות היכולות להעיד על סכרת היריון" (אין קשר בין שתי המחלות, מלבד העובדה שהן מתרחשות בהיריון).

 

"מה שמרגש בכל הסיפור הזה, הוא שכיום אין עדיין דרך לזהות בבדיקת דם פשוטה בשליש הראשון להיריון מחלות הפורצות רק בשליש השני או השלישי, אבל התגלית שלנו תאפשר לפתח בדיקות פשוטות מסוג זה עבור שתי המחלות, כדי לנקוט אמצעי מניעה כבר בשלבים מוקדמים ולהבטיח את שלום האם והעובר".

 

פרופ' שומרון מספר על התגלית המקרית באירוע "אתנחתא"

 

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, רחוב חיים לבנון 30, 6997801.
UI/UX Basch_Interactive