RESEARCH

מוץ הוא אמצעי להטעיית מכ"ם שתפקידו להסתיר מטרה אמיתית על ידי יצירת ענן שמפזר קרינה אלקטרומגנטית. כלי טיס או שיט מפזרים כמות גדולה של סיבי מתכת ומייצרים מטרת דמה. מכיוון שמטוס הוא מטרה גדולה, נדרשת כמות עצומה של סיבים שמגבילה את השימוש בשיטה. את הבעיה הזאת החוקרים ניסו לפתור במחקרם. המחקר בוצע במעבדתו של פרופ' פבל גינזבורג מהפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן ומומן ע"י זרועת חיל הים האמריקאי.

"לטכנולוגיה החדשה שפיתחו יש יישומים רבים", מסביר פרופ' גינזבורג. "המומחיות שלנו היא מבנים אלקטרומגנטיים חכמים לטובת תקשורת אלחוטית. מוץ חכם הוא אחד מהאתגרים העכשוויים בתחום הביטחון. הדבר נובע חלקית מהתקדמות במערכות מכ"ם ומסיבות שונות שהציבור הרחב לא יודע. במעבדתנו קיבלנו פניה ממשרד הביטחון אמריקאי לבצע מחקר בנושא מכיוון שאנו מחזיקים בשיא עולמי בסופר-פיזור. גישות שמשלבות בינה מלאכותית מאפשרות לנו לקבל ביצועי-על שכנראה לא ניתן לקבל אחרת".

לדבריו של פרופ' גינבורג, טכנולוגיות המכ"ם מתפתחות מאד מהר ואפשר לקחת אותן ליישומים שונים. "אני אישית נוטה לחשוב על בעיות שעלולות להופיע בעתיד הקרוב, כגון מעקב אחר רחפנים שבעוד מספר שנים יופיעו במקומות רבים, כגון בערים, למטרות משלוחים. במקרה הזה נצטרך לפתח מערכות מעקב יעילות ולמכ"ם פה יש יתרונות רבים הכוללים אמינות, יעילות ומחיר נמוך. לרחפן יש חתימת מכ"ם קטנה ולכן כדאי לפתח שיטות להגדיל אותה וכך לעזור למכ"ם בזיהוי. הפיתוח הנוכחי הוא קפיצת מדרגה נוספת כיוון שהמבנה הוא רחב סרט וכלל כיווני. הצעד הבא שלנו יהיה לגרום למכ"ם לחשוב שמטרה סטטית זזה ומתקרבת, למרות שהיא לא. האם זה סותר את תורת היחסות? התשובה הקצרה היא 'לא, הכל בסדר', אבל זה כנראה יהיה נושא לשיחה הבאה", הואמ סכם בחיוך.

^{דומה מאוד בצורתו לווירוס הקורונה. הכדור שיעזור להעלים גופי טיס גדולים ממכ"ם}

הטכנולוגיה החדשנית פותחה בהובלת פרופ' גלעד יוסיפון מבית הספר להנדסה מכנית ומהמחלקה להנדסה ביו-רפואית באוניברסיטת תל אביב, ובהשתתפות הפוסט-דוקטורנטית Dr. Yue Wu מאוניברסיטת תל אביב, וכן הסטודנטית סיון יעקב והפוסט-דוקטורנט Dr. Afu Fu מהטכניון. המאמר פורסם בכתב העת Advanced Science.

בהשראת מיקרו-שחיינים ביולוגיים

פרופ' גלעד יוסיפון מסביר כי מיקרו-רובוטים הם חלקיקים סינטטיים זעירים בגודל של תא ביולוגי, שיכולים לנוע ממקום למקום ולבצע פעולות שונות (לדוגמה: איסוף יעיל של מטענים סינטטיים או ביולוגיים) באופן אוטונומי על פי תכנון מראש, או באמצעות שליטה מבחוץ בידי מפעיל או מערכת בקרה. לדבריו, יכולת התנועה העצמית של המיקרו-רובוטים (הקרויים לפעמים גם מיקרו-מנועים וחלקיקים אקטיביים), הונדסה בהשראת מיקרו-שחיינים ביולוגיים, דוגמת חיידקים ותאי זרע. מדובר בתחום חדשני שמתפתח במהירות, עם מגוון רחב של שימושים בתחומים כמו רפואה וסביבה, וגם ככלי מחקרי.

"הכוונה בעתיד היא לפתח מיקרו-רובוטים שיפעלו גם בתוך הגוף – למשל כנשאי תרופות יעילים שניתן לנווט אותם למטרה באופן מדויק."

במסגרת הפיתוח החדשני, החוקרים השתמשו במיקרו-רובוט כדי ללכוד תא דם, תא סרטני או חיידק בודד, והראו כי הוא מסוגל להבחין בין תאים בעלי רמות חיות שונות – תא בריא, תא שנפגע על ידי תרופה, או תא שמת או גוסס בתהליך 'התאבדות' טבעי (הבחנה כזאת עשויה להיות משמעותית לדוגמה בעת פיתוח תרופות נגד סרטן).

כמו כן, לאחר שזיהה את התא המבוקש, הצליח המיקרו-רובוט גם ללכוד אותו ולהובילו להמשך טיפול ואבחון הפגיעה בתא. חידוש חשוב נוסף בטכנולוגיה הוא זיהוי תא המטרה ללא צורך בתיוגו: המיקרו-רובוט מזהה את סוג התא ואת מצבו (דוגמת רמת חיות) באמצעות מנגנון חישה מובנה המבוסס על התכונות החשמליות הייחודיות של התא.

פרופ' יוספון: "הפיתוח החדש שלנו מוסיף נדבך חשוב לטכנולוגיה זו, בשני היבטים עיקריים: הנעה וניווט היברידיים על ידי שני מנגנונים שונים – חשמלי ומגנטי, לצד יכולת משופרת לזהות וללכוד תא בודד ללא צורך בתיוג, לצורך בדיקה מקומית או שליפה והובלה למכשור חיצוני. מחקר זה בוצע על דגימות ביולוגיות במעבדה, אך הכוונה בעתיד היא לפתח מיקרו-רובוטים שיפעלו גם בתוך הגוף – למשל כנשאי תרופות יעילים שניתן לנווט אותם למטרה באופן מדויק."

החוקרים מסבירים שלמנגנון ההנעה ההיברידי של המיקרו-רובוט יש חשיבות מיוחדת בסביבות פיזיולוגיות, כמו למשל ביופסיה נוזלית. "המיקרו-רובוטים שפעלו עד היום בהתבסס על מנגנון חשמלי, לא היו יעילים בסביבות מסוימות המאופיינות במוליכות חשמלית גבוהה יחסית, כמו למשל בסביבה פיזיולוגית, בה ההנעה החשמלית  פחות אפקטיבית. כאן יכול להיכנס לפעולה המנגנון המגנטי המשלים, שהוא יעיל מאוד ללא קשר להולכה חשמלית."

פרופ' יוסיפון מסכם: "במחקר שלנו פיתחנו מיקרו-רובוט חדשני, בעל יכולות חשובות שמוסיפות נדבך משמעותי לתחום: הנעה וניווט היברידיים באמצעות שילוב של שדה חשמלי ומגנטי, וכן יכולת לזהות, ללכוד, ולהוביל תא בודד ממקום למקום בסביבה פיזיולוגית. ליכולות אלה יש משמעות רבה עבור מגוון רחב של יישומים וגם למחקר. בין היתר עשויה הטכנולוגיה לתמוך בתחומים הבאים: אבחון רפואי ברמת התא הבודד, החדרת תרופות או גנים לתאים, עריכה גנטית, נשיאת תרופות ליעדן בתוך הגוף, ניקוי הסביבה מחלקיקים מזהמים, פיתוח תרופות, וטכנולוגיית 'מעבדה על חלקיק' שנועדה לבצע אבחון במקומות הנגישים רק למיקרו-חלקיקים."

את המחקר הובילו הדוקטורנט יובל ורבר מהחוג לביולוגיה אבולוציונית וסביבתית באוניברסיטת חיפה, ושני המנחים שלו: פרופ' יוסי יובל מבית הספר לזואולוגיה בפקולטה למדעי החיים ע"ש ג'ורג' ס' וייז, ופרופ' ניר ספיר מאוניברסיטת חיפה. המאמר פורסם בכתב העת Remote Sensing in Ecology and Conservation.

"טורבינות רוח נחשבות לטכנולוגיה מבטיחה בתחום האנרגיה המתחדשת, אך הפעלתן כרוכה במגוון אתגרים ביולוגיים. בין היתר, הן קוטלות מספרים גדולים של בעלי חיים מעופפים שנתקלים ברוטורים של הטורבינה, בהם מיליוני עטלפים, שנקטלים בדרך זו מדי שנה ברחבי העולם. כיום, המענה היחיד לקטל העטלפים הוא הפסקת פעילות הטורבינה בזמנים שבהם צפויה פעילות רבה שלהם, אך הפסקות כאלה פוגעות ביעילות הטורבינה ומצמצמות את כמות האנרגיה שניתן להפיק ממנה. במחקר זה בדקנו פתרון אפשרי חדש: מכשיר המותקן על רחפן, שמשדר שילוב של אותות ויזואליים ועל-קוליים המיועד ספציפית לעטלפים. יתרונו של הרחפן בכך שהוא נמצא בתנועה: כשהאותות נייחים וקבועים בעלי החיים נוטים להתרגל ולהתעלם מהם", מסביר פרופ' יובל.

^{גומאים מאות קילומטרים בלילה, ועפים בדיוק  בגובה להבי טורבינות הרוח. עטפלים}

"המחקר, שמהווה חלק מעבודת הדוקטורט שלי, נערך באזור עמק החולה, מקום שיש בו פעילות רבה של עטלפים", מסביר יובל ורבר ומרחיב: "הפעלנו את הרחפן בגובה של 100 מ', שהוא הגובה הממוצע של מרכז טורבינות הרוח, ובתנועה לאורך מסלול של כ-100 מ', הלוך וחזור. כדי לעקוב אחר פעילות העטלפים נעזרנו במכ"ם הממוקם על הקרקע, שמאפשר מעקב בגובה של 100 מ' ומעלה, והוספנו מכשיר מסוג לידאר - מכ"ם מבוסס לייזר שמשמש על פי רוב כמכשיר התרעה בכלי רכב, לצורך מעקב בגובה נמוך יותר".

"במקביל ביצענו הקלטות אקוסטיות של העטלפים במעופם, באמצעות מקלטים שמוקמו בשלושה גבהים שונים: מטר אחד, 150 מ' ו-300 מ'. כדי להעלות את המקלטים לגובה נעזרנו בצפלינים. חשוב לציין שהמחקר שלנו היה הראשון בעולם שיישם את הטכנולוגיות הללו - מכ"ם, לידאר, וצפלינים - כדי לעקוב אחר עטלפים".

^{תיאור פעילות הניסוי}

פיתרון סביבתי יעיל ומציל חיים

בעזרת מגוון אמצעי המעקב השוו החוקרים בין פעילותם הרגילה של העטלפים לבין פעילותם בנוכחות הרחפן הנושא מכשיר הרחקה. הממצאים היו חד-משמעיים: המכשיר אכן מרחיק עטלפים. בנוכחותו פחתה פעילות העטלפים מתחת לרחפן בכ-40%, ובמרחק של עד כ-500 מטר ממנו. לעומת זאת, התגברה הפעילות מעל לגובה של 100 מ', ובעיקר בגובה רב של עד 800 מ'.

"נראה שהמכשיר יעיל בהרחקת עטלפים מסביבתו הקרובה. העטלפים חשים את האותות הוויזואליים והעל-קוליים שהוא משדר ובוחרים לעוף מעליו, כפי שקיווינו. אנחנו משערים שאם המכשיר יופעל בקרבת טורבינה הוא יגרום לעטלפים להגביה עוף ולהתעופף מעל הטורבינה, מחוץ לטווח הסכנה. מדובר בפתרון יעיל וישים שעלותו סבירה, עם תועלת רבה לכל הצדדים: מצד אחד מניעת קטילתם של עטלפים, ומצד שני אפשרות להפעיל את הטורבינה ולהפיק אנרגיה ירוקה באופן בטוח, רציף ויעיל. בכוונתנו לבצע ניסוי המשך באתר של טורבינות רוח, על מנת לבחון את יעילות המתקן בתנאי אמת", מסכם פרופ' יובל.

^{מספקות אנרגיה מתחדשת. טורבינות רוח ברמת הגולן}

צוות החוקרים מהפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן ומבית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה בפקולטה למדעים מדויקים ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר, כולל את הדוקטורנטים אופיר ישרים (שהוביל את הניסוי), ואביב קרניאלי, ד"ר סטיבן ג׳אקל, ד"ר ג׳וזפה די דומניקו, וד"ר סיוון טרכטנברג-מילס, תחת הנחייתו של פרופ׳ עדי אריה, מופקד הקתדרה ע"ש מרקו ולוסי שאול.

עדיין רלוונטי: מחקר בן 100 שנים מתורת הקוונטים

הניסוי שבוצע מבוסס על אנלוגיה בתחום האופטי לאחד מניסויי המפתח של תורת הקוונטים, ניסוי שטרן-גרלך אשר פורסם בדיוק לפני 100 שנה, בשנת 1922. החוקרים הגרמניים אוטו שטרן ו-וולטר גרלך שלחו אטומי כסף דרך שדה מגנטי שמשתנה במרחב, והבחינו כי כתוצאה מכך מתקבל פיצול של אלומת האטומים: מחצית מהאטומים סטו לכיוון אחד, ומחציתם השני לכיוון הנגדי. הסיבה לכך היא שלאלקטרוני הערכיות של הכסף יש תכונה הקרויה ספין, אשר גם קובעת את המומנט המגנטי של כל אלקטרון. השדה המגנטי החיצוני מפעיל כוח על האלקטרון, אשר תלוי בכיוון המומנט המגנטי של אותו אלקטרון. בניסוי התברר כי ערך הספין שנמדד יכול לקבל רק שני ערכים אפשריים (שנקרא להם "מעלה" ו"מטה"), ולכן אלומת האטומים מתפצלת לשתי זוויות בלבד.

כעת, 100 שנים לאחר הניסוי המקורי, ביצעו החוקרים ניסוי מקביל באופטיקה, בו קרני אור פוצלו באמצעות אינטראקציה לא-לינארית (אינטראקציה בה קרני אור יכולות להשפיע אחת על השנייה). במסגרת הניסוי, השתמש צוות המחקר בגבישים  אופטיים לא ליניאריים. לטענתם, לרוב משתמשים בגבישים אלה כדי לבצע המרות תדר, כלומר קרן לייזר באורך גל (צבע) מסוים תהפוך לקרן באורך גל אחר.

ספין אלקטרוני

"בניסוי זה שלחנו שלוש אלומות אור בארכי גל שונים לגביש לא לינארי, שלמען הנוחות נסמן אותם בצורה סימבולית כאלומות בצבע כחול, ירוק ואדום. האלומה הירוקה היא בעוצמה חזקה בהרבה מהאלומות האחרות, ובאמצעות התהליך הלא ליניארי היא מאפשרת המרת אנרגיה מהאלומה הכחולה לאדומה או להיפך. בניסוי שבוצע, נשלחה אלומה ירוקה רחבה, שלה  עוצמה מקסימלית במרכזה, והיא יורדת לאפס בשולי האלומה. כך יוצרים אינטראקציה שמשתנה במרחב - אינטראקציה חזקה במרכז האלומה, ואינטראקציה חלשה בשוליה", מסביר פרופ' עדי אריה.

"אלומה זו ממלאת תפקיד אנלוגי לשדה המגנטי המשתנה במרחב בניסוי שטרן-גרלך המקורי. אם נשלח אלומה כחולה לאזור המואר על ידי שיפולי האלומה הירוקה, נקבל פיצול לשתי אלומות הנעות בזויות שונות, שבכל אחת מהן יש כעת אור כחול ואור אדום. באחת האלומות האור הכחול והאור האדום הם בעלי אותו מופע (פאזה), והיא נעה ימינה, ובאלומה השנייה הן במופע הפוך והיא נעה שמאלה. שתי אלומות אלה הן האנלוג של הספין של האלקטרון בניסוי שטרן גרלך המקורי", הוא מוסיף.

לדבריו, אפשר גם להגדיל או להקטין את זווית הפיצול על ידי הגדלה או הקטנה של עוצמת הלייזר הירוק. "לעומת זאת, כאשר הוכנסה אלומה משולבת של כחול ואדום, לא ניתן היה לראות פיצול היות והקרן סטתה לכיוון אחד בלבד, כתלות במופע בין הצבעים שהוכנסו. ניסוי זה מקביל למקרה שבו מכניסים אטומי כסף בעלי ספין ״מעלה״ או ״מטה״ בלבד בניסוי שטרן גרלך".

לסיכום, החוקרים מסבירים כי פיצול מרחבי של אורכי גל אינו דבר חדש. מנסרה, למשל, מאפשרת פיצול מרחבי של אורכי גל לזוויות שונות, ואולם פיצול זה הוא קבוע ומפריד כל צבע לכיוון אחד. בניסוי שהודגם במסגרת מחקר זה, הפיצול מאפשר להשתמש בשילוב אורכי גל, כתלות במופע ביניהם, ולשלוט בזווית הפיצול על ידי אלומת אור נוספת. לתופעה זו יש יישומים פוטנציאלים בתחומים של עיבוד אותות ותקשורת אופטית, תקשורת קוונטית,  חישוב קוונטי, חישה מדויקת ועוד. החוקרים מאמינים שהניסוי יהווה את נקודת הפתיחה לניסויים נוספים שמנצלים את ההקבלה בין מערכות של אלקטרונים בשדה מגנטי לבין מערכות אופטיות.

^{צוות המחקר}

התגלית המדעית התאפשרה במסגרת מחקר שבחן את דינמיקת ההתפשטות של חבילות גלים מחזורית בגלי כבידה משטחיים על פני מים, על ידי מדידת ההתפתחות שלהם לאורך בריכת גלי מים באורך 5 מטרים. צוות החוקרים כלל את גאורגי גרי רוזנמן, מבית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר, פרופ׳ וולפגנג שלייך מאוניברסיטת אולם, פרופ׳ עדי אריה מבית הספר להנדסת חשמל ומופקד הקתדרה לננו-פוטוניקה ע"ש מרקו ולוסי שאול, ופרופ׳ לב שמר מבית הספר להנדסה מכנית. המחקר פורסם בכתב העת היוקרתיPhysics Review Letters .

דינמיקת ההתפשטות של חבילות גלים מחזוריות נחקרה גם בתחום הלא-ליניארי באופן תאורטי. המדען ניל אחמדייב מצא פתרון אנליטי שנקרא "Akhmediev breather" שמשמעותו "גל נושם", היות והצורה שלו חוזרת על עצמה באופן מחזורי. עם זאת, יש הבדל חשוב לעומת המקרה הליניארי, והוא שמקבלים בצורה מחזורית רק את המבנה המקורי, ואילו המבנים במחזוריות הקצרה יותר לא מופיעים.

בניסוי שבוצע, צוות החוקרים עורר חבילות גלים מחזוריות של גלי כבידה משטחיים. לשם כך נבחר הגל הנושם של אחמדייב (Achmediev breather). כאשר הגלים המעוררים הם בעלי משרעת גדולה, הדינמיקה הלא ליניארית של גלי הכבידה המשטחיים הופכת להיות משמעותית וגורמת להיעלמות התבניות המחזוריות בעלת המחזורים הקצרים, למשל במחצית מרחק טלבוט.

^{בריכת הגלים באוניברסיטת תל אביב בה התבצע הניסוי}

בנוסף, גילו החוקרים במסגרת המחקר כי כאשר אי-הלינאריות גבוהה יותר, המדידות חורגות מהפתרון האנליטי של אחמדייב, וניתן לראות  שבירה א-סימטרית של פונקציית הגל. שבירה זו גורמת למעטפת הגלים להאיץ במעט ולהאיט לאחר מכן חזרה למהירות החבורה. שבירת סימטריה זו נגרמת בגלל אי לניאריות מסדר גבוה, אשר אינה נלקחת בחשבון במשוואת הגלים הפשוטה - משוואת שרדינגר הלא לינארית.

^{שטיחי טאלבוט במערכת של גלי כבידה משטחיים. (1) שטיח טאלבוט ״לינארי״ (2) שטיח טאלבוט ״לא לינארי״ (3) סקיצה של מערכת ניסוי בה נמדדו התופעות}