מחקרים

"לחלקיקים הננומטריים האלה, שאנו מהנדסים במעבדה, יש במקרים רבים תכונות אופטיות חדשות, שונות מתכונותיהם של החומרים כפי שאנו מכירים אותם בטבע. חומרים מהונדסים כאלה מכונים מטא-חומרים." מסביר ד"ר חיים סוכובסקי מבית הספר לפיזיקה באוניברסיטת תל אביב. "לדוגמה, חלקיקי זהב או כסף יכולים לקבל צבע אחר, כמו אדום או כחול." לדבריו, עובדה זו נוצלה כבר לפני מאות שנים על ידי אמנים שיצרו את חלונות הוויטראז' הצבעוניים בכנסיות ברחבי אירופה: הם נהגו לערבב אבקת כסף בזכוכית מומסת, שהעניקה לתערובת תכונות אופטיות חדשות וזווית פגיעה שונה של האור, וכך השיגו את הצבעים המרהיבים. "מובן שהם לא הבינו אז את ההיבט המדעי של הפעולה, אשר פוענח רק לפני כ-20 שנה."

החוקרים במעבדה לננו-פוטוניקה של ד"ר סוכובסקי מהנדסים מבנים ננומטריים כדי להשיג תכונות רצויות שהוגדרו מראש. אחת התופעות המסקרנות שניתן ליצור בדרך זו נשמעת כמו משהו מספרי פנטזיה בסגנון "הארי פוטר" -  'גלימת היעלמות', שמעלימה לגמרי את המבנה. עם זאת, כפי שמסביר ד"ר מיכאל מרג’ן שהשתתף במחקר, "מלאכת ההינדוס הייתה עד היום מלאכה 'סיזיפית' של ניסוי וטעייה ידניים, שאורכת שבועיים במקרה הטוב. חיפשנו דרכים לזרז את התהליך כדי שהטכנולוגיה תהיה ידידותית וזמינה יותר, הן למטרות מחקר והן ליישומים בתחומים מגוונים."

למידה עמוקה של ננו-חלקיקים

מפגש פורה בין הפיזיקאים, בהובלת ד"ר חיים סוכובסקי, לבין אנשי מדעי המחשב המתמחים בלמידה עמוקה, בהובלת פרופ' ליאור וולף, הוביל לפריצת הדרך המיוחלת. החוקרים פיתחו יחד שיטה חדשנית, מדויקת ומהירה במיוחד לזיהוי תכונות אופטיות של מבנים ננומטריים. "למידה עמוקה (Deep Learning) היא תחום של למידת מכונה (Machine Learning), שנמצא היום בהתפתחות מואצת," מסביר פרופ' וולף. "מדובר ברשתות נוירונים מלאכותיות בעלות מספר רב של שכבות, אשר מסוגלות ללמוד בצורה יעילה מכמות גדולה מאוד של נתונים, ולהכליל לדוגמאות חדשות, ששונות בצורה מהותית מהדוגמאות שנראו בזמן האימון."

לדבריו, "התחום של אינטיליגנציה מלאכותית נהנה מפריחה מחודשת בשנים האחרונות בזכות התפתחות הלמידה העמוקה. תחומים כגון זיהוי תמונה, זיהוי דיבור, תרגום אוטומטי וכדומה מפותחים היום הרבה יותר מאשר היו רק לפני מספר שנים. סטודנט הכיר ביני לבין ד"ר סוכובסקי, וכמעט מיד יצאנו לבדוק את ההשערה, שבאמצעות למידה עמוקה נוכל לתכנן ביעילות ננו-חלקיקים ולצפות את תכונותיהם האופטיות הייחודיות." במחקר השתתפו גם אחיה נגלר ואורי אריאלי מבית הספר לפיזיקה ואיציק מלכיאל מבית הספר למדעי המחשב. המאמר התפרסם בספטמבר 2018 בכתב העת Light: Science & Applications מקבוצת Nature.

תשובה מדויקת בתוך מאית שנייה

כדי ללמד את הרשת לבצע את הזיהוי המבוקש הזינו החוקרים לתוכה נתונים על 15,000 מבנים גיאומטריים זעירים מוכרים ותכונותיהם האופטיות. הרשת למדה לשייך בין המבנה הגיאומטרי לתכונות, והתוצאות מבטיחות ביותר: במקום עבודה ידנית ממושכת, מתקבלת מהמחשב תשובה מדויקת בתוך מאית השנייה! יתרה מכך, השיטה החדשה פועלת היטב בשני הכיוונים: אם מציגים למחשב רשימת תכונות אופטיות, הוא מתאר מיד את המבנה הזעיר שיספק את התכונות הללו; ואם, לחלופין, מציגים לו מבנה קיים, הוא מפענח מיד את תכונותיו.

"חיברנו בין שני עולמות, ננו-פוטוניקה ולמידה עמוקה, ופיתחנו שיטה חדשה בעלת פוטנציאל יישומי כמעט אינסופי בתחומים רבים," מסכם ד"ר סוכובסקי. "חוקרי סרטן, לדוגמה, יוכלו לתכנן באמצעותה נשאי תרופות זעירים שיזהו במדויק תאים סרטניים בגוף, על פי תכונותיהם האופטיות הייחודיות; בתעשיית האלקטרוניקה ניתן יהיה לאתר פגמים בשבבים אלקטרוניים – על ידי העברת קרן אור דרך השבבים וזיהוי תכונותיו האופטיות של שבב תקין מול חריגות; בתחום האנרגיה נוכל לתכנן תאי שמש ולשפר משמעותית את קליטת האנרגיה הסולרית; וחיישנים מבוססי ננו-חלקיקים מהונדסים, שיותאמו במדויק למולקולות שונות, יוכלו לבצע ניטור סביבתי של גזים רעילים ומולקולות מים באטמוספירה, לגלות מולקולות ביולוגיות, ועוד. ואנחנו מאמינים שזוהי רק ההתחלה..."

"במהלך האבולוציה, כשהאדם איבד את הפרווה שהגנה על עורו, התפתחו בעור שלנו מנגנוני הגנה טבעיים שמתעוררים בעקבות חשיפה לקרני השמש", מסבירה פרופ' כרמית לוי מהמחלקה לגנטיקה של האדם וביוכימיה בפקולטה לרפואה ע"ש סאקלר, מובילת המחקר. "אחד מהם הוא מנגנון הפיגמנטציה, או השיזוף, שיוצר הגנה פיזית-מכאנית על העור. מנגנון נוסף מגייס את מערכת החיסון לתקן נזקי DNA, הנגרמים על ידי קרינת UV ועלולים לגרום להתפתחות סרטן העור".

מדענים רבים בעולם חוקרים את השפעת קרני השמש על עורנו, אך לדברי פרופ' לוי, מרבית המחקרים מתמקדים בתגובות הקשורות לעוצמת החשיפה. פרופ' לוי, יחד עם הדוקטורנטית הגר מלכוב, בחרו ללכת לכיוון אחר, ובדקו את השפעתה של תדירות החשיפה לשמש על הגוף. לשם כך הן חשפו דגימות של עור אדם לקרני UV בעוצמה קבועה (ברמה של שמש קיצית בצהרי היום), אך בתדירויות שונות. חלק מהדגימות נחשפו לשמש בכל יום, חלקן פעם ביומיים, חלקן לסירוגין וכן הלאה. "להפתעתנו גילינו שדווקא חשיפה של פעם ביומיים, ולא חשיפה יומיומית, מאפשרת לגוף להתגונן בצורה הטובה ביותר מפני נזקי השיזוף", אומרת פרופ' לוי. "לאחר שמצאנו שלתדירות החשיפה יש חשיבות רבה חיפשנו הסבר לתופעה".

החוקרים במעבדתה של פרופ' לוי דגמו את העור הנבדק מדי שעה לאחר החשיפה, ואספו נתונים מגוונים על תגובת מערכות ההגנה לחשיפה בתדירויות שונות. בין השאר הם מדדו רמות של חלבונים שונים בעור, רמות פיגמנטציה, RNA ותיקון ה-DNA. הם גילו שחלבונים המבטאים גנים מסוימים מופיעים בעור ברצף מסודר ומסונכרן היטב במהלך 48 השעות שלאחר החשיפה לקרינת UV.

לעלות על הגל

כדי להעמיק את הבנת התהליכים חברו החוקרות מתל אביב לפרופ'-משנה שי שן-אור מהטכניון, אשר יחד עם הסטודנטית איילת אלפרט בנה מודל מתמטי, שהראה כי רמות החלבון מסוג MITF, המצוי בעור ואחראי למנגנוני ההגנה שלו, עולות ויורדות בצורת גל הדועך עם הזמן, ועל ידי כך מפעיל את מנגנוני ההגנה באופן מסונכרן. המודל אומת בניסוי מעבדה.

מכיוון שהתפשטות הגל אורכת 48 שעות, חשיפה נוספת במהלך פרק הזמן הזה משבשת את פעילותו. "דמיינו לעצמכם שזרקתם אבן לתוך אגם והיא יצרה מעגלים מתפשטים של גלים", מסביר פרופ' שן-אור. "אם תזרקו אבן נוספת לפני שהגל הראשון דעך, הגלים שתיצור האבן השנייה ישבשו את התפשטותם של הגלים מהמחזור הראשון. זה בדיוק מה שקורה בעור. חשיפה נוספת לשמש במהלך פעילותו של גל הסנכרון הראשון מפחיתה את יעילות הפעולה של מערכות ההגנה על העור".

"כעת אנחנו מנסים להבין את הסיבה לאורך המחזוריות שגילינו", מסכמת פרופ' לוי. "ייתכן שהיא קשורה להופעתו של ויטמין D הקשור לחשיפה לשמש ומגיע לשיאו כל 48 שעות. בכל מקרה, אנחנו ממליצים לכולם לתת למנגנון הטבעי של הגוף להשלים את פעולתו, כדי להשיג הגנה אופטימלית לאחר חשיפה לשמש".

כיון שהחורף התל אביבי מספק לנו הרבה ימים של שמש, אנחנו ממליצים לכולם להתחיל ולתרגל חשיפה מבוקרת, ועד הקיץ כבר תעלו על הגל.

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

התמונה הזאת היא, כידוע, משאלת לב בלבד. אך לדברי פרופ' קולין פרייס מבית הספר ללימודי סביבה ומדעי כדור הארץ ע"ש פורטר באוניברסיטת תל אביב, תרחישים דומים עשויים בהחלט להתממש בתוך שנים אחדות. זאת בעקבות מחקר חדש שהוביל פרופ' פרייס, בהשתתפות תלמידיו רון מאור וחופית שחף. המאמר התפרסם בכתב העת The Journal of Atmospheric, Solar and Terrestrial Physics.

חכמת ההמונים

כיצד ניתן להפוך את הטכנולוגיה המתקדמת במכשירים הללו, שכמעט כל אדם בעולם המערבי מחזיק ומשתמש בהם כבר מגיל צעיר, לאמצעי שיציל חיים? "נכון להיום, נמצאים בשימוש בין 4-3 מיליארד מכשירים סלולריים חכמים ברחבי העולם. כל אחד מהם מכיל חיישנים רגישים, המנטרים את סביבתם ללא הרף, עבור מגוון אפליקציות המותקנות בהם," אומר פרופ' פרייס.

"מיליארדי הטלפונים הניידים שלנו אוספים נתונים על הכבידה, על השדה המגנטי של כדור הארץ, על הלחץ האטמוספירי ועל רמות האור והרעש, על הלחות באוויר, על הטמפרטורה ועוד. זהו מספר עצום, בהשוואה לכ-10,000 תחנות מטאורולוגיות רשמיות בלבד, הממוקמות על פני כדור הארץ. אנו טוענים כי אם נצליח לרכז ולנתח את כל המידע הנאסף על ידי הטלפונים הניידים, נוכל לשפר משמעותית את חיזוי מזג האוויר, ואף להציל חיים באירועים קיצוניים".

מה חשים החיישנים?

השלב הראשון במחקרו של פרייס עסק בדרך למימוש הפוטנציאל האדיר: בדיקת איכות החיישנים שבטלפונים הניידים. כדי לבדוק את איכות החיישנים, מיקמו החוקרים ארבעה מכשירי טלפון נייד בנקודות שונות ברחבי הקמפוס של אוניברסיטת תל אביב, ואספו מהם נתונים במשך שלוש שנים, במטרה לזהות תופעות כמו 'גאות ושפל אטמוספריים', כלומר שינויי טמפרטורה, לחץ ולחות, הנגרמים בעיקר מבליעה של אור השמש על ידי האטמוספירה. בנוסף הם נעזרו בנתונים מאפליקציה בשם WeatherSignal, האוספת נתונים מטלפונים חכמים מכל העולם.

תוצאות המחקר העידו שרגישות החיישנים בטלפונים הניידים מספיקה כדי להוסיף מידע חשוב על מצב האטמוספירה, בכל מקום ובכל רגע נתון. המשמעות היא שהטלפונים יכולים לספק כמות אדירה של נתונים חדשים לחיזוי מזג האוויר.

כעת, בעקבות ממצאי המחקר, מציעים החוקרים לבנות מערכת בענן לאיסוף ולניתוח נתונים אטמוספריים מטלפונים ניידים. המשתמשים יוכלו להתקין במכשיריהם אפליקציה ייעודית, שתאפשר למערכת להשתמש בנתונים שלהם, ולשלוח להם תחזיות והתראות בזמן אמת, בכל מקום שבו הם נמצאים.   

"אנו עדים כיום להתגברות של אירועי מזג אוויר קיצוניים בכל העולם, בהם גשמים עזים הגורמים לשיטפונות מסוכנים. חיזוי מדויק והתראה מוקדמת, שיסתייעו בנתוני הטלפונים הניידים ויגיעו לטלפונים של אנשים המצויים בסכנה, עשויים להציל חיים." מסכם פרופ' פרייס.

אחד מפלאי העולם, וכיוצא בזה גם של המדע, הוא העובדה שהרכיב הזעיר ביותר ביקום, מעיד על האדיר ביותר, ולהיפך. זה מתבטא ביתר שאת, בצורה שהיא לעתים בלתי נתפסת, במבנה האטום. "החומר בעולמנו, החל בגוף שלנו וכלה בכוכבי השמים, בנוי מאטומים, וכל אטום מורכב מגרעין המכיל פרוטונים ונויטרונים (המכונים יחדיו נוקלאונים), ומאלקטרונים החגים סביבו. לכן כל תגלית הנוגעת לגרעין האטום היא משמעותית, בדרך זו או אחרת, להבנת היקום כולו."  אומר פרופ' אלי פיסצקי מבית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה באוניברסיטת תל אביב. בימים אלו מחקר חדש בהובלתו שופך אור חדש על המתרחש בתוך גרעין האטום.

כדי לבחון מה מתרחש בתוך גרעין האטום נעזרים המדענים במאיצי חלקיקים. המאיץ מייצר אלומת חלקיקים באנרגיה גבוהה, ו'מפציץ' באמצעותה את הגרעין עד שהוא מתפרק. תוצרי ההתפרקות נמדדים באמצעות גלאים רגישים ביותר, והממצאים מאפשרים לחוקרים לשחזר את האירוע, ולהסיק מסקנות לגבי מבנה הגרעין ומה שקורה בתוכו.

התגלית הנוכחית, המתייחסת למהירות התנועה של חלקיקים בתוך גרעין האטום, התגלתה במעבדת מאיץ האלקטרונים ג'פרסון שבווירג'יניה, ארה"ב. המחקר בוצע על ידי החוקרת מיטל דואר ממעבדתו של פרופ' פיסצקי, בהשתתפות חוקרים מ-MIT ומאוניברסיטת  ODUבווירג'יניה, ארה"ב, והתפרסם בכתב העת Nature. למחקר תרומה חשובה, בין היתר, לחקר כוכבי הנויטרונים – הכוכבים הצפופים ביותר ביקום, אשר ככל הנראה קשורים לייצור היסודות הכבדים בעולמנו.

מהירים השניים מן האחד

"ידוע שהפרוטונים והנויטרונים (נוקלאונים) נעים בתוך הגרעין," מסביר פרופ' פיסצקי. "על פי רוב כל נוקלאון נע לבדו, אך אנו גילינו במחקרים קודמים שלעתים הם יוצרים זוגות. הזוגות הללו מורכבים כמעט תמיד מפרוטון ונויטרון. עוד מצאנו, שכאשר נוצר זוג, כל נוקלאון בזוג נע במהירות גבוהה בהרבה ממהירותו של נוקלאון בודד. מהירותו של נוקלאון בזוג כזה מגיעה ליותר ממחצית ממהירות האור."

במחקר הנוכחי בחרו החוקרים להתבונן בגרעיני אטומים של חומרים כבדים, כמו למשל עופרת. "בגרעינים כבדים, מספר הנויטרונים (בעלי מטען שלילי) גבוה משמעותית ממספר הפרוטונים (בעלי מטען חיובי)," אומר פרופ' פיסצקי. "הסיבה: מכיוון שלפרוטונים יש מטען חשמלי חיובי, הם דוחים זה את זה, וקשה לקשור מספר גדול של פרוטונים יחד לגרעין יציב. לנויטרונים, לעומת זאת, אין מטען חשמלי, וניתן "לארוז"  מספר גדול יותר בקלות יחסית. לכן בגרעין של אטום עופרת, לדוגמה, יש 126 נויטרונים, ורק 82 פרוטונים."

לכאורה, במצב שבו יש הרבה יותר נויטרונים, יש סיכוי גדול יותר להיווצרות זוגות של נויטרונים מבחינה סטטיסטית. "זה דומה למסיבה שבה יש פי 1.5 גברים (נויטרונים) ביחס לנשים (פרוטונים)," מסביר פרופ' פיסצקי. "במצב כזה יש לנשים הרבה יותר סיכוי לרקוד עם בן זוג, או במילים אחרות: בכל רגע נתון, אחוז הפרוטונים המצומדים לזוגות גבוה מאחוז הנויטרונים המצויים בזוגות. ומכיוון שלחלקיקים בזוג יש מהירות גבוהה יותר, שיעור הפרוטונים עם אנרגיה קינטית מוגברת גבוה משיעור הנויטרונים עם אנרגיה קינטית מוגברת.

ניתן לסכם זאת כך:

> כמות הנויטרונים בגרעין באטומים של חומרים כבדים גבוהה בהרבה מכמות הפרוטונים בגרעין

> הפרוטונים נצמדים לנויטרונים ליצירת זוגות, ומותירים נויטרונים רבים ללא זוג

> לחלקיקים "בזוגיות" מהירות גבוהה יותר מחלקיקים בודדים

> לכן, אחוז הפרוטונים המהירים בגרעין גבוה מאחוז הנויטרונים המהירים, אף על פי שמבחינה כמותית הפרוטונים במיעוט

"תגלית זו עשויה לגרום לשינוי חשוב במודלים המקובלים של כוכבי נויטרונים: להבנתנו בכל כוכב נויטרונים יש גם אחוז קטן של פרוטונים, ותנועתם בכוכב תושפע מהנויטרונים הקרובים להם, כפי שקורה בגרעינים." אומר פרופ' פיסצקי. "המחקר שלנו הוא מחקר של מדע בסיסי, ללא יישומים מידיים, אך מכיוון שהיקום כולו מורכב מהחלקיקים שאנו חוקרים, יש לממצאים שלנו משמעות רבה להבנת העולם בו אנו חיים, החל ברמה הבסיסית ביותר."