חדשות

המחקר נערך בהובלת ד"ר טל שוורץ, ראש המעבדה לחקר ננואופטיקה מולקולרית, וד"ר באלה מוקונדהקומר במחלקה לכימיה פיזיקלית בפקולטה למדעים מדויקים ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר, ופורסם בעיתון היוקרתי “Nature Materials”. במחקר השתתפו הסטודנטים אריה סימחוביץ' וגל סנדיק, ד"ר עדינה גולומבק וד"ר גיא אנקונינה.

החוקרים פיתחו מערכת אופטית ייחודית על מנת לחקור האם ניתן לנצל את הערבוב עם האור להגברת תהליכי הולכה אלקטרונית בחומרים, וגילו תכונה מעניינת: ככל שיש אחוז גבוה יותר של אור בפולריטון, כך תנועתו במרחב הופכת להיות יעילה ומסודרת יותר, אך מכיוון שעדיין יש לו אופי "חומרי", ניתן להשתמש בו לצורך תהליכים אלקטרונים בהתקנים שונים.

הסרטת התמונה כמו בווידאו

ד"ר שוורץ מסביר: "במערכת שבנינו, ישנו משטח לוכד פוטונים ועליו שכבת מולקולות. כאשר יורים קרן לייזר למשטח ניתן ליצור את אותם פולריטונים בנקודה ספציפית וכן לצפות בתנועתם על המשטח. עד כה, חוקרים צילמו בצורה סטטית את המתרחש, כך שהם יכלו לומר שיש תנועה במשטח אך לא היה בידם מידע נוסף לגבי אופן התנועה או מהירותה. במחקרנו, פיתחנו מערכת אופטית מיוחדת שאיפשרה לנו לצפות בתנועה באופן דינמי וליצור מעין סרט וידאו בקצב מהיר ביותר. לצורך ההשוואה, במצלמת וידאו רגילה רואים 30 תמונות בשנייה, ואצלנו יותר ממיליון בריבוע תמונות בשנייה. באמצעות כך הצלחנו למדוד בצורה ישירה את מהירות ההתקדמות של הפולריטונים, וכן לזהות לראשונה מעבר בין שני סוגי תנועה שונים: כאשר פולריטון מכיל מעט אור, טווח התנועה שלו אכן מוגבר בכמה סדרי גודל ביחס למצב הטבעי בחומר, אך הוא נע באופן המכונה 'תנועה דיפוסיבית', כלומר תנועה המלווה בפיזורים אקראיים המובילים לשינויים תכופים בכיוון ההתקדמות ולכן יעילות התנועה מוגבלת.

"מצד שני, כאשר הפולריטון מכיל כמות גבוהה של אור, הוא מצליח "להתגבר" על אותם פיזורים, כך שמופיעה תנועה המכונה 'תנועה בליסטית' - תנועה מסודרת במהירות קבועה, אשר מגיעה ל2/3 ממהירות האור. האופי המשולב של הפולריטונים מאפשר מצד אחד מהירות גבוהה ומעבר של מרחקים ארוכים פי מיליון מסקלת המרחק המולקולרית, תוך כדי איבודי אנרגיה פחותים, ומצד שני אינטראקציות אלקטרוניות המאפשרות שליטה והמרה של האור לאנרגיה האגורה בחומר".

לנצל באופן מיטבי את אנרגיית השמש

"אנו מצפים להשפעה בתחומים שונים, למשל בתחום התאים הסולריים. שם, אנרגית השמש נבלעת באזור אחד בהתקן ולאחר מכן צריכה לעבור לאזור אחר שבו היא מומרת לאנרגיה חשמלית. בדרך כלל תהליך זה הוא איטי ומוגבל בטווח על פניו הוא מתרחש, דבר אשר פוגם ביעילות התא הסולרי. באמצעות פולריטונים ניתן יהיה להעביר את האנרגיה ביעילות רבה יותר ולנצל באופן מיטבי את אנרגיית השמש. דוגמה נוספת היא התקנים אלקטרואופטיים אשר משמשים לתקשורת אופטית ועיבוד מידע. שימוש בפולריטונים יכול להאיץ את קצבי העבודה ולהוריד באופן משמעותי את התנגדות החומרים המשמשים בהתקנים אלו, כך שנצטרך להשקיע פחות אנרגיה בהפעלתם".

אחרי שפיתחו את הרובוט הראשון ששומע באמצעות אוזן ביולוגית, החוקרות והחוקרים של אוניברסיטת תל אביב העניקו לרובוט חוש נוסף: חוש הריח. פריצת הדרך המדעית מאפשרת לרובוט להריח באמצעות חיישן ביולוגי, לזהות האם נמצא בסביבתו ריח ולשלוח בתגובה אותות חשמליים שאותם הוא יודע לקרוא. החוקרים חיברו בהצלחה חיישן ביולוגי למערכת אלקטרונית ובעזרתה, תוך שילוב של אלגוריתם למידת מכונה, הצליחו להפריד ריחות ברגישות הגבוהה פי 10,000 ממכשירים אלקטרוניים קיימים. התקווה היא שבעתיד יוכל רובוט שמצויד בחושים אלו לשמור על חיי אדם ולזהות סכנות רבות, החל מחומרי נפץ וסמים, דרך זיהוי מחלות וכלה באסונות טבע. "השמיים הם הגבול", אומרים החוקרים.

^{הרובוט הראשון בעל האף הביולוגי. רק באוניברסיטת תל אביב.}

"אנו עוברים במגנומטר שעולה מיליוני דולרים ויודע להגיד אם אנו נושאים עלינו מתכות. אבל כשרוצים לבדוק אם נוסע מבריח סמים - מביאים כלב שירחרח אותו"

לשלוח את הטכנולוגיה ללמוד מהאבולוציה

פריצת הדרך הביולוגית והטכנולוגית נעשתה בהובלת הדוקטורנטית נטע שביל מבית הספר סגול למדעי המוח, ד"ר בן מעוז מהפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן ובית הספר סגול למדעי המוח, פרופ' יוסי יובל ופרופ' אמיר אילי מבית הספר לזואולוגיה ובית הספר סגול למדעי המוח. תוצאות המחקר התפרסמו בכתב העת היוקרתי Biosensor and Bioelectronics.

ד"ר מעוז ופרופ' אילי מסבירים: "ישנן טכנולוגיות שלא יכולות להתחרות במיליוני שנות אבולוציה. תחום אחד שבו אנו מפגרים במיוחד אחרי עולם החי הוא תחום חישת ריחות. דוגמה לכך אפשר למצוא בנמלי התעופה. כשאנו טסים לחו"ל, אנו עוברים במגנומטר שעולה מיליוני דולרים ויודע להגיד אם אנו נושאים עלינו מתכות. אבל כשרוצים לבדוק אם נוסע מבריח סמים - מביאים כלב שירחרח אותו. בתוך עולם החי, חרקים מצטיינים בקליטת ובעיבוד אותות חושיים . יתוש, למשל, יודע לזהות הפרש של 0.01% ברמת הפחמן הדו-חמצני באוויר. כיום אנחנו רחוקים מלייצר חיישנים שיתקרבו ביכולות שלהם לחושים של חרקים".

החוקרים מציינים שככלל, איברי החישה שלנו ושל כל שאר בעלי החיים, כמו העין, האוזן והאף, משתמשים בקולטנים שמזהים ומפרידים בין אותות שונים. בשלב השני, איבר החישה מתרגם את הממצאים לאותות חשמליים שהמוח מפענח כמידע. האתגר בביו-סנסורים הוא בחיבור איבר חישה כמו האף למערכת אלקטרונית שתדע לפענח את האותות החשמליים שמתקבלים מהקולטנים.

^{הדוקטורנטית נטע שביל וד"ר בן מעוז}

רגיש לריח פי 10,000

"חיברנו את החיישן הביולוגי ואפשרנו לו להריח ריחות שונים תוך כדי שאנחנו מודדים את הפעילות החשמלית שמעורר כל ריח וריח", מסביר פרופ׳ יובל. "המערכת אפשרה לנו לקבל זיהוי של כל ריח כבר ברמת איבר החישה הראשוני של החרק. בשלב השני השתמשנו בלמידת מכונה כדי ליצור 'ספרייה' של ריחות. במחקר הצלחנו לאפיין 8 ריחות, כגון גרניום, לימון ומרציפן, באופן שיכולנו לדעת מתי מוצג ריח לימון ומתי מרציפן. למעשה, אחרי שהניסוי נגמר המשכנו וזיהינו ריחות נוספים, שונים ומשונים, כמו למשל מיני ויסקי סקוטי שונים. השוואה למכשירי מדידה סטנדרטים הראתה שהרגישות של החיישן הביולוגי במערכת שלנו גבוהה פי כ-10,000 ממכשירים שנמצאים היום בשימוש".

"הטבע מתקדם מאיתנו בהרבה, לכן כדאי להשתמש בו. ניתן להשתמש בעיקרון שהצגנו וליישם אותו על חושים אחרים כמו ריח, ראייה ומישוש. לדוגמה, לבעלי חיים מסוימים יש יכולות מדהימות לזיהוי של חומרי נפץ וסמים, וייצור של רובוט עם מחוש ביולוגי יוכל לעזור לנו לשמור על חיי אדם ולזהות עבריינים באופן שלא ניתן כיום. יש בעלי חיים שיודעים לזהות מחלות ואחרים שיודעים לחוש רעידות אדמה. השמיים הם הגבול", מסכם ד"ר מעוז.

בעתיד, החוקרים מתכננים לשלב ברובוט גם יכולות ניווט שיאפשרו לו לאתר את המקור של הריח ולאחר מכן גם את סוגו.

^{האם בקרוב יוכל לצאת לפנסיה? כלב עבודה מחפש חומרים מסוכנים בשדה התעופה}