RESEARCH

הטכנולוגיה פותחה בהובלת צוות מומחים מאוניברסיטת תל אביב: ד"ר בן מעוז, יפתח שלומי, שי דיולד וד"ר יעל ליכטמן-ברדוגו מהמחלקה להנדסה ביו-רפואית, ובשיתוף קשת תדמור מבית הספר סגול למדעי המוח וד"ר עמיר ערמי מהפקולטה לרפואה ע"ש סאקלר ומהיחידה למיקרוכירורגיה במחלקה לכירורגיה של היד, המרכז הרפואי שיבא. המחקר התפרסם בכתב העת היוקרתי ACS NANO.

החוקרים מספרים כי הפרויקט הייחודי התחיל בפגישה בין שני חברים מאוניברסיטת תל אביב: ד"ר עמיר ערמי מהפקולטה לרפואה ומיחידת המיקרו-כירורגיה בשיבא וד"ר בן מעוז מהמחלקה להנדסה ביו-רפואית ובית ספר סגול למדעי המוח. "דיברנו על האתגרים בעבודות שלנו", מספר ד"ר מעוז, "וד"ר ערמי שיתף אותי בקושי שהוא חווה בטיפול באנשים שמאבדים את יכולת החישה באיבר זה או אחר כתוצאה מפציעה. צריך להבין שמדובר בקשת רחבה מאוד של פציעות, החל מפציעות קלות – לדוגמה, מישהו חותך סלט ונחתך מהסכין – ועד לפציעות קשות מאוד. גם אם ניתן לאחות את הפצע ולתפור את העצב הפגוע, במקרים רבים התחושה נותרת פגועה. החלטנו להתמודד יחד עם האתגר הזה ולמצוא פתרון שיחזיר לפגועים את יכולת החישה".

החיישן פועל על כוח החיכוך

במסגרת הפיתוח הטכנולוגי החוקרים יצרו חיישן שניתן להשתיל אותו על עצב פגום מתחת לקצה של האצבע, והוא מחזיר למושתל חלק מיכולת החישה באצבע. הפיתוח הייחודי אינו מצריך שימוש במקור מתח חיצוני כגון חשמל או סוללות. החוקרים מסבירים כי החיישן פועל למעשה על כוח החיכוך: בכל פעם שהמכשיר מרגיש חיכוך, הוא נטען לבד.

מדובר בשני לוחות זעירים בגודל של פחות מחצי ס"מ על חצי ס"מ. כשהלוחות האלה באים במגע אחד עם השני, הם משחררים מטען חשמלי שמועבר לעצב הבריא. באופן הזה, כשהאצבע הפגועה נוגעת במשהו, הנגיעה משחררת מתח בהתאם ללחץ שהופעל על המכשיר – מתח חלש למגע חלש ומתח חזק למגע חזק – ממש כמו חישה רגילה.

​

לטענת החוקרים ניתן להשתיל את המכשיר בכל מקום בגוף שבו יש צורך בשחזור תחושה למגע, והוא עוקף למעשה את אברי החישה הפגועים. כמו כן, החומר שממנו עשוי המכשיר הוא ידידותי לגוף האדם, הוא לא דורש תחזוקה, ההשתלה פשוטה והמכשיר עצמו אינו נראה מבחוץ.

לדבריו של ד"ר מעוז, לאחר שבדקו את החיישן החדש במעבדה (יותר מחצי מיליון הקשות אצבע עם המכשיר), החוקרים השתילו אותו בכפות רגליהם של חיות מודל. החיות הלכו כרגיל, מבלי לחוות כל פגיעה בעצבים המוטוריים, ובבדיקות הוכח כי החיישן איפשר להן להגיב לגירויים סנסוריים. "בדקנו את הפיתוח שלנו על חיות מודל, והתוצאות היו מעודדות מאוד", מסכם ד"ר מעוז. "בשלב הבא נרצה לבחון את המשתל על מודלים גדולים יותר, ובהמשך – להשתיל את החיישנים שלנו גם באצבעותיהם של בני אדם שאיבדו את יכולת החישה. היכולת הזו עשויה לשפר באופן משמעותי את התפקוד ואת איכות החיים, וחשוב מכך: להגן עלינו מפני סכנה. אנשים שלא יכולים להרגיש מגע גם לא יכולים להרגיש שהאצבע שלהם נמחצת, נשרפת או קופאת".

הלוויין TAUSAT-1 של אוניברסיטת תל אביב והמרכז למחקר גרעיני (ממ"ג) שורק, ששוגר לאחרונה לחלל, ממשיך לעשות היסטוריה: ב-9 באפריל, בשעה שבע בערב (שעון ישראל), ניתן האות ממרכז הבקרה באוניברסיטת תל אביב, וחומר חכם בעל זיכרון צורני (shape memory polymer, או SMP), שינה את צורתו ונפרס במסלול סביב כדור הארץ. זאת הפעם הראשונה שחומר חכם משוגר מישראל לחלל. מנגנון הפריסה שפותח יוכל לחסוך בעתיד את הצורך לשגר מנגנונים כבדי משקל, ולשמש לפריסת רכיבים שונים כמו לוחות סולאריים ואנטנות.

נכנס למסלול

"מדובר באקטואטור - רכיב שאחראי להנעת חלקים ומערכות - על בסיס פולימר משנה צורה", אומר פרופ' נעם אליעז מהמחלקה למדע והנדסה של חומרים בפקולטה להנדסה ע"ש אידי ואלדר פליישמן. האקטואטור פותח במסגרת עבודת המאסטר של דבי מרגוי ובהנחיה משותפת של פרופ' אליעז וד"ר רונן ורקר מממ"ג שורק. הפולימר החכם הוא ניסוי אחד מבין חמישה שעורך TAUSAT-1 במעבדה מוטסת זעירה, בגודל של 10×10×10 ס"מ, שפותחה על ידי מחלקת סביבת חלל בממ"ג.

"היו עוד ננו-לוויינים ששוגרו מישראל, חלקם הצליחו וחלקם לא, אבל זאת הפעם הראשונה שמשוגר מישראל לוויין עם מנגנון פריסה של פולימר משנה צורה. הפולימרים האלה הם חומרים חכמים שיכולים לחזור לצורתם המקורית עקב גירוי חיצוני כמו אור, חום, שדה חשמלי או שדה מגנטי", אומר פרופ' אליעז.

"חומרים חכמים הם פתרון עתידני ויצירתי לצורך שיגור מנגנוני פריסה מתכתיים כבדי משקל", מוסיף ד"ר רונן ורקר. "חומרים חכמים מאפשרים לנו לשלוט בתהליך הפריסה ללא מגע פיזי וללא קשר עין עם מרכז הבקרה, ולחסוך דרמטית במסה ובנפח של המטען המשוגר לחלל. האקטואטור שפיתחנו נפרס בתגובה לחום. בנוסף, זווית הכיפוף של האקטואטור גם משנה את ההתנגדות החשמלית שלו, ובאמצעות מדידת ההתנגדות החשמלית אפשר לקבל אינדיקציה לכך שהוא אכן נפרס בהצלחה".

מעבדה מוטסת

המעבדה המוטסת של TAUSAT-1 מכילה שורה של ניסויים מדעיים נוספים, שנועדו לחקור את סביבת החלל במטרה למצוא פתרונות טובים יותר לשיגור ולתפעול של לוויינים וחלליות בסביבה זו, בהם גם מדידת קרינה מייננת מצטברת באמצעות גלאי טרנזיסטור בעל שכבת תחמוצת עבה, ההופכת אותו לרגיש מאוד לקרינה מצטברת. מערכת הניסוי מודדת את השתנות ערכי מתח הסף להפעלת הטרנזיסטור באופן רציף ולאורך זמן, וכך מאפשרת מדידה גם של מנות קרינה נמוכות במיוחד.

הננו לוויין אופיין, פותח, הורכב ונבדק במסגרת המרכז לננו-לוויינים בקמפוס, שיתוף פעולה ייחודי בין הפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן ובית הספר פורטר לסביבה ומדעי כדור הארץ, בפקולטה למדעים מדויקים לבין המרכז למחקר גרעיני - שורק.

את המחקר ערכו ד"ר רוית חננאל, ד"ר נחומי יפה וד"ר רם פישמן מהפקולטה למדעי החברה ע"ש גרשון גורדון. הם רצו לבדוק אם ההומוגניות החרדית של השכונה משפיעה על הסיכוי להידבק בקורונה. תוצאות המחקר, הנמצאות בימים אלה תחת שיפוט, יוצגו בכנס ה-52 של האגודה הסוציולוגית הישראלית שייערך במכללת ספיר.

"רצינו לבדוק האם לחרדים שגרים בשכונות לא-חרדיות יש אותו סיכוי להידבק בקורונה כמו לחרדים שגרים בשכונות חרדיות לגמרי, ומצאנו מובהקות סטטיסטית בין אורח החיים החרדי למקרי ההדבקה", מסבירה ד"ר חננאל. "צריך להבין שהקשר כאן הוא לא לינארי, דהיינו יותר חרדים שווה ליותר נדבקים, אלא שהקהילה החרדית משחקת תפקיד שלילי במגפה: לחרדי שגר בשכונה הטרוגנית יש סיכוי נמוך יותר להידבק בקורונה מאשר לחרדי שגר בשכונה חרדית הומוגנית".

המחקר נערך במאי 2020, עם היציאה מהסגר הראשון בישראל, וסקר את כל השכונות בישראל, כ-9.2 מיליון אזרחים בכ-2,400 שכונות. החוקרים חילקו את השכונות לחמש קטגוריות, לפי מידת ההטרוגניות או ההומוגניות של האוכלוסייה החרדית, הדתית-לאומית והערבית, אבל רק באוכלוסייה החרדית נמצא מתאם בין הדבקה בקורונה להומוגניות של השכונה.

שכנות טובה

על פי החוקרים, לרוב אין הבדלים מבחינת אורח החיים, ההשכלה והמעמד הסוציו-אקונומי בין חרדים בשכונות הומוגניות וחרדים בשכונות מעורבות. "לצורך המחקר נעזרנו בשני מאגרי נתונים ייחודיים: נתוני ההדבקה של משרד הבריאות ומאגר הנתונים של חברת פוינט מיפוי עסקי בע"מ, שמתמחה במיפוי ואיסוף נתונים מדויקים על השכונות בישראל, לצורך פתיחה של מיזמים עסקיים", מסבירה ד"ר חננאל. "התוצאה ברורה: חרדים שגרים בשכונות מעורבות ומקיימים אורח חיים חרדי לחלוטין, נדבקים פחות מאשר חרדים שגרים בשכונות חרדיות".

ד"ר חננאל מציינת שכמובן שישנם משתנים רבים המשפיעים על סיכויי ההידבקות בקורונה, כגון מעמד סוציואקונומי, מספר הנפשות למשפחה, צפיפות הבנייה, רמת החשיפה לטכנולוגיה ועוד, אלא שאין בכך כדי להסביר את הפערים הגדולים בשיעורי ההדבקה בין חרדים בשכונות חרדיות לחרדים בשכונות מעורבות.

"בתקשורת מדברים על 'החרדים', אבל אנחנו מראים שלא כל החרדים נדבקים בקורונה בשיעור דומה", אומרת ד"ר חננאל. "משהו באורח החיים החרדי במסגרת של קהילה חרדית סגורה, הוא שמעלה את הסיכוי להידבק בנגיף. בימים אלה מתנהל דיון ציבורי בשאלה האם לבנות שכונות חרדיות הומוגניות, או לשכן חרדים במסגרת שכונות קיימות, וכאן אנחנו רואים בבירור שמידת ההומוגניות של הקהילה החרדית משפיעה לרעה על החוסן הבריאותי שלה".

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}

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."