Category Archives: כתבות אמצע

חוקרים מהטכניון ומאוניברסיטת בון ערכו ניסוי המשיב על השאלה הבאה: מה מגביל את מהירות החישוב של מחשבים קוונטיים? תוצאות המחקר פורסמו בכתב העת Science Advances.

פרופ’ יואב שגיא (מימין) והדוקטורנט גל נס. קרדיט צילום: רמי שלוש, דוברות הטכניון.

מחשבים קוונטיים הם מכשירים מתוחכמים מאוד שפעולתם מבוססת על המכניקה הקוונטית, מה שמאפשר להם לעבד בעיות שהמחשב הקלאסי אינו יכול להתמודד איתן כלל; אולם אפילו מחשוב קוונטי מוגבל בכמות המידע שהוא יכול לעבד במשך זמן נתון.

את המידע הנאגר במחשבים קלאסיים אפשר להמשיל לרצף ארוך של 0 ו-1, הביטים הקלאסיים של מידע, שמהווים את מרכיבי החישוב הבסיסיים.

מחשבים קוונטיים פועלים אחרת: המידע מאוחסן בביטים קוונטיים, או קיוביטים, הדומים יותר לגל מאשר לערכים בדידים. קיוביט אינו 0 או 1 אלא שילוב שלהם – סופרפוזיציה. כשפיזיקאים מדברים על המידע המאוחסן בקיוביטים הם מדברים על פונקציות גל.

דפוס פעולה זו מאפשר למחשב הקוונטי לבצע חישובים רבים בעת ובעונה אחת, מה שכמובן מאיץ את ביצועי המערכת. ועדיין, גם על עיבוד המידע במחשב הקוונטי יש מגבלת מהירות – גבול המהירות הקוונטית (QSL). מהו הגבול הזה? בכך עסק המחקר שנערך בטכניון ובאוניברסיטת בון.

כבר באמצע המאה הקודמת הסיקו הפיזיקאים הסובייטים לאוניד מנדלשטם ואיגור תַם, על סמך חישובים תאורטיים, את גבול המהירות של חישוב במערכת קוונטית מורכבת; המחקר הנוכחי מאשש את הניבוי התאורטי שלהם אך גם מוסיף ממצאים חדשים.

פרופ’ יואב שגיא (מימין) והדוקטורנט גל נס. קרדיט צילום: רמי שלוש, דוברות הטכניון.

לדברי ד”ר אנדראה אלברטי, שהוביל את המחקר במכון לפיזיקה יישומית באוניברסיטת בון, “אפשרנו לאטומי צסיום (cesium) בודדים לנוע באופן מבוקר כמו גולות בקערת אור ועקבנו אחר התנהגותם.”

מנקודת הראות  הקוונטית, אטומים מתוארים כגלי חומר. במסעו לתחתית קערת האור, גל החומר עובר שינוי המשפיע על המידע הקוונטי שהוא נושא. קבוצת המחקר ביקשה לגלות מהו השלב המוקדם שבו מתרחש שינוי מובחן, כלומר שינוי שאפשר לזהותו, שכן נקודת זמן זו תוכל לשמש ראייה ניסויית לגבול מנדלשטם-תם. אילו היו אלה גולות רגילות המתגלגלות על דופן של קערה אמיתית הכול היה פשוט – על פי מיקומיה של הגולה בהפרשי זמן נתונים היה אפשר לשחזר את הרגע שבו יצאה לדרך; אולם בעולם הקוונטי דברים פועלים אחרת, שכן בכל מדידה של מיקום האטום נקבל תוצאה מעט אחרת, וזו אינה טעות במדידה אלא תוצאה של תכונות המכניקה הקוונטית. “לכן,” מסביר ד”ר אלברטי, “במקום לנסות לקבוע את מיקומו ואת צורתו של גל החומר פיתחנו שיטה חדשה שקובעת באופן ישיר את השינוי שאנו מחפשים – את סטייתה של הגולה הקוונטית ממצבה הראשוני.”

“לשם כך,” מסביר גל נס, המחבר הראשי במאמר ודוקטורנט בהנחייתו של פרופ’ יואב שגיא בפקולטה לפיזיקה בטכניון, “יצרנו עותק של גל החומר של האטום כך שהיו לנו למעשה שני עותקים של אותו מצב. באמצעות הבזקי אור מהירים השגנו לראשונה סופרפוזיציה קוונטית של שני העותקים.”

כשאחד משני העותקים של גלי החומר גולש במורד קערת האור, גל החומר השני כבר נמצא בתחתית קערת האור שלו ולכן הוא נשאר במקומו וכבר אינו יכול לזוז או להשתנות. בשלב מסוים מאפשרים החוקרים לשני העותקים הזהים להתמזג זה בזה ואז, באמצעות השוואה בין מצביהם הקוונטיים בנקודות זמן מסוימות, הם הצליחו לחלץ את גבול המהירות המבוקש – משך הזמן המינימלי לשינוי המובחן בגל החומר.

מימין לשמאל: אנדראה אלברטי, דיטר משדה ומנולו (ריברה) לאם. © Volker Lannert/University of Bonn

באמצעות שינוי הגובה הראשוני שממנו האטום מתדרדר בקערת האור הצליחו הפיזיקאים לשלוט לא רק באנרגיה הממוצעת אלא גם באי-הוודאות האנרגטית של האטום.

נזכיר כי עיקרון אי-הוודאות של הייזנברג קובע כי אי אפשר לקבוע בעת ובעונה אחת את מיקומו של חלקיק ואת התנע שלו (שממנו נגזרת מהירותו); אי-ודאות אנרגטית פירושה שאי אפשר לקבוע בעת ובעונה אחת את הפרש הזמן בין שני אירועים קוונטיים ואת הפרשי האנרגיה ביניהם. לדברי פרופ’ שגיא, “במחקר הנוכחי הצלחנו להראות כי כפי שצפו מנדלשטם ותם, הזמן המינימלי להתרחשות של אותו שינוי מובחן בגל החומר תלוי ברמת אי-הוודאות האנרגטית של האטום; זמן זה מתקצר ככל שאי-הוודאות האנרגטית גדלה.”

במחקר אוששה תופעה נוספת שנחזתה תאורטית על ידי נורמן מרגולוס ולב לוויטין ב-1998: מרגע שאי-הוודאות האנרגטית גדלה עד שעברה את האנרגיה הממוצעת של גל החומר, דווקא האנרגיה הממוצעת היא שמכתיבה את גבול המהירות של המערכת. לדברי ד”ר אלברטי, “זו הפעם הראשונה ששני גבולות המהירות נמדדו במערכת קוונטית מורכבת – ובאותו ניסוי.”

החוקרים מסכמים בכך שמחשבים קוונטים אכן יוכלו לפתור בעיות במהירות חסרת תקדים, אולם גם מהירות זו תהיה מוגבלת; כעת נוכל לדעת בדיוק בכמה היא מוגבלת, וזאת על סמך שני הגבולות שאומתו במחקר הנוכחי. למחקר השלכות בתחומים עתידיים רבים ובהם מחשוב קוונטי בוזוני, סימולציות קוונטיות ואטומטרוניקה (אלקטרוניקה המבוססת על אטומי גז קוונטי).

המחקר מומן על ידי קרן ריינהרד פרנק בשיתוף אגודת ידידי הטכניון בגרמניה, קרן המחקר הגרמנית (DFG), מרכז הקוונטום ע”ש הלן דילר בטכניון והשירות הגרמני לחילופים אקדמיים (DAAD).

באיור: גולות קוונטיות בפעולה – איור אמנותי של גל-חומר המתגלגל במורד מדרון תלול. קרדיט: Enrique Sahagún, Scixel

למאמר בכתב העת  Science Advancesלחצו כאן

פרופ’-מחקר נתן רוזן, מייסד הפקולטה לפיזיקה בטכניון, הגיע לישראל אחרי קריירה מדעית מרשימה. כבר בגיל 22 פרסם רוזן שני מאמרים חשובים, שאחד מהם ניבא את קיומו של החלקיק נייטרון והאחר הציג חישוב של מודל של מולקולת המימן. כעבור ארבע שנים בלבד, כלומר בגיל 26, הוא פרסם יחד עם אלברט איינשטיין ובוריס פודולסקי את EPR, אחד המאמרים המצוטטים ביותר בתולדות המדע. בהמשך פיתחו איינשטיין ורוזן את הקונספט שנקרא כיום “גשר איינשטיין-רוזן” או בשפה העממית והקולנועית “חור תולעת”. הרעיון הבסיסי: עיקום משמעותי של המרחב-זמן יכול לאפשר מעבר בין שתי נקודות הרחוקות זו מזו לאין שיעור.

המאמר ההיסטורי, שפורסם ב-15 במאי 1935 וזכה בכינוי EPR על שם שלושת מחבריו (Einstein–Podolsky–Rosen), עסק במה שהשלושה תפסו כליקוייה של הפיזיקה הקוונטית. על כותרתו – “האם תיאור קוונטום-מכני של המציאות הפיזיקלית יכול להיחשב שלם?” – הם השיבו בשלילה.

אחת הטענות במאמר הייתה שעל פי הפיזיקה הקוונטית, מניפולציה על חלקיק אחד תשפיע בה בעת על חלקיק אחר הנמצא במרחק עצום ממנו, וזאת בלי אינטראקציה פיזית ובלי העברת מידע; לכן, טען איינשטיין, מדובר ב”מעשה כשפים במרחב” (spooky action at a distance). את תשובתו של נילס בוהר, שהוכתר בפרס נובל על תרומותיו למכניקה הקוונטית, כינה איינשטיין “פלפול תלמודי”.

כעבור שלושה עשורים, בשנת 1962, הראה הפיזיקאי האירי ג’ון בל כי את המחלוקת איינשטיין-בוהר אפשר להכריע באופן ניסויי, והניסויים שנערכו בשנים הבאות הראו כי  “פעולה מרחוק” אכן מתרחשת בחלקיקים שזורים.

לדברי פרופ’-אמריטוס יוסי אברון, לשעבר דיקן הפקולטה לפיזיקה בטכניון, “פרדוקס EPR הוביל לתובנה עמוקה יותר של האופי המהפכני של מכניקת הקוונטים. איינשטיין ביקש תיאוריה שתתאר מציאות פיזיקלית שאינה מותנית בהתערבות של הצופה. זה המצב בפיזיקה קלאסית, שבה המדידה חושפת מציאות קיימת: אמריקה התקיימה גם לפני שקולומבוס גילה אותה. בעולם הקוונטי, מנגד, התערבותו של הצופה משפיעה על מצב המערכת ולכן אינה חושפת מציאות קיימת אלא מייצרת מציאות חדשה. איינשטיין ביטא את אי-הנחת שלו באופן ציורי כשאמר לידידו וכותב הביוגרפיה שלו, אברהם פייס: האם אתה באמת מאמין שהירח קיים רק כאשר אתה מסתכל בו?

איינשטיין גם לא אהב את העובדה שהאקראיות במכניקה קוונטית אינה הייתה תוצאה של חוסר מידע, והוא ביטא זאת בטענה שאלוהים אינו משחק בקוביות.

ראש המחלקה לפיזיקה פרופ’ נתן רוזן (משמאל) עם לואיס מקסימון מפילדלפיה מול “מכון אינשטיין לפיסיקה” בטכניון, אוגוסט 1960

נתן רוזן נולד בברוקלין ב-22 במרץ 1909, שנתיים אחרי שהוריו נמלטו מרוסיה מוכת הפוגרומים. כשהיה בן 11 מת עליו אביו והמשפחה עברה לבוסטון. בגיל 25 בלבד, עם תואר דוקטור בכיסו, הוא החל לעבוד בפרינסטון, שם קיווה, יפגוש את אלברט איינשטיין הנודע. לימים סיפר בראיון ל”מעריב” (5 במרץ 1954) כי “ככל איש מדע היה גם חלומי להיפגש, ולו לדקות ספורות, עם איינשטיין. אף שעבדתי איתו במוסד אחד [פרינסטון] דחיתי את הפגישה מיום ליום, עד שאזרתי עוז ונכנסתי לחדרו. הוא קיבלני בחביבות לבבית כאילו היינו מיודעים ותיקים. למחרת פגשני בחצר האוניברסיטה ואמר לי: ‘אדם צעיר, התסכים לעבוד יחד איתי?’ הייתי כהמום מאושר, ואיני יודע עד היום מה הייתה זכותי לשאת חן בעיניו.”

המציאות, אם כן, הייתה נדיבה יותר מהחלום הצנוע, וד”ר רוזן היה לאסיסטנט של איינשטיין במכון למחקרים מתקדמים בפרינסטון, שם הבשיל גם מאמר EPR.

בעידודו של איינשטיין רוזן קיבל משרה באוניברסיטת קייב, משם כתב למורו ורבו: “כאן אני מרגיש שצריכים אותי, שאני חשוב, וכדי להרוויח את לחמי איני זקוק לתמיכה של אנשים קטנים הנמצאים בעמדות בכירות.”  ג’ו, בנם הבכור של נתן וחנה, נולד בקייב ב-1937. כעבור שנתיים נולד הבן השני, דוד.

תוך זמן קצר הבין רוזן כי חלומותיו על העולם הסובייטי מתנפצים על סלעי המציאות. הוא הרגיש היטב את המגבלות שהטיל המשטר על המחשבה. “[שם] התעניינו כולם בתיאוריות של איינשטיין, אולם אחר כך בא מישהו וטען כי תורה זו נוגדת למטריאליזם הדיאלקטי, ואז החלה האווירה להיות דחוסה קצת.” בעקבות זאת, ולאחר שרבים מעמיתיו בקייב נעצרו על ידי המשטר הקומוניסטי, הוא חזר לארצות הברית ועבד ב-MIT ובאוניברסיטת צפון קרוליינה.

בשנת 1953 נענה פרופ’ רוזן לקריאתו של נשיא הטכניון דאז, רא”ל (מיל’) יעקב דורי, ועלה לישראל כדי להצטרף לסגל הטכניון. כאן הוא מילא תפקיד מרכזי בהפיכתו של הטכניון מ”בית ספר טכני” למוסד מדעי טכנולוגי בעל שם עולמי. הוא היה דיקן בית הספר לתארים מתקדמים, דיקן הפקולטה למדע, ראש המחלקה לפיזיקה (לימים פקולטה) וראש המחלקה להנדסה גרעינית. בשנת 1977 התמנה בטכניון לפרופסור-מחקר – הדרגה האקדמית הגבוהה ביותר.

פרופ’ רוזן תרם רבות גם מחוץ לחוג הטכניון. הוא היה ממייסדי האקדמיה הלאומית למדעים, האגודה הישראלית לפיזיקה והחברה הבין-לאומית ליחסות כללית וכבידה. כדי לסייע בפיתוחה של אוניברסיטת בן גוריון הוא עשה שם תקופה כדיקן הפקולטה להנדסה בשנים 1971-1969.

בטכניון הוא הנחה תלמידים רבים ובהם פרופ’ אשר פרס, גם הוא מעמודי התווך של הפקולטה לפיזיקה. פרופ’ רוזן זכה בפרסים רבים ובהם פרס ויצמן במדעים מדויקים (1968), פרס ע”ש מיכאל לנדאו (1975) ותואר ד”ר כבוד מטעם אוניברסיטת בן גוריון.

נתן רוזן הלך לעולמו ב-18 בדצמבר 1995. עמיתיו מספרים שהוא עבד עד יומו האחרון. עם איינשטיין הוא שמר על קשר במשך שנים רבות אחרי שעלה לישראל, ובראיון ל”מעריב” (5 במרץ 1954) העיד כי איינשטיין אמר לו ש”ברצון הייתי עולה לישראל אלמלא הייתי זקן כל כך” וש”הטכניון הזה הוא משהו נפלא. וגם מדינת ישראל יש לה עתיד בלתי רגיל, עתיד גדול!”

התמונות באדיבות ​​​הארכיון ההיסטורי של הטכניון ע”ש יהושע נסיהו

שלוש קבוצות סטודנטים מהפקולטה להנדסת ביוטכנולוגיה ומזון זכו לאחרונה בתחרות בין-לאומית במסגרת פרויקט Food Solutions של EIT FOOD. שתיים מהקבוצות זכו במקומות הראשונים וקבוצה נוספת זכתה במקום השלישי.

מימין לשמאל, שורה קדמית: ד”ר מאיה דוידוביץ-פנחס, הדר כוכבי, כריסטין עובייד, פרופ’ מרסל מחלוף, נובה נוימן, קרולינה לייטרר, מעיין בן דוד, גיל רפאל וליאורה ברנשטיין; שורה אמצעית: דור אבוחצירה ופרופ’ אבי שפיגלמן; שורה אחורית: שחר הפנר, דנה רז, לינור רוחלין, שלומית חכים, ויקטוריה סקורטוב ופרופ’ אורי לזמס

לדברי קרולינה לייטרר, אחת הסטודנטיות הזוכות, “הלימודים בפקולטה מספקים לסטודנטים המון ידע רלוונטי, אבל האתגר של פיתוח מוצר וייצור שלו מא’ ועד ת’, כפי שנדרש בתחרות הזאת, הוא קפיצה גדולה מאוד, ולשמחתנו קיבלנו תמיכה עצומה מהמנחים בפקולטה ובסופו של דבר זכינו במקום הראשון.”

“הזכייה מסכמת שנה שלמה של עבודה קשה,” אמרו מנחי הקבוצות הטכניוניות בתחרות, חברי הסגל ד”ר מאיה דוידוביץ-פנחס, פרופ’ אורי לזמס ופרופ’ אבי שפיגלמן. לדבריהם, “ההישג הזה מדגים את מצוינותם של הסטודנטים בפקולטה לא רק בהיבטים ההנדסיים והטכנולוגיים אלא גם ביצירתיות וביכולת להתמודד עם היבטים אחרים הנדרשים לחדשנות בתחום – סקר שוק, בדיקת היתכנות עסקית, התייחסות לסוגיות של רגולציה ושיווק, אנליזה של חיי מדף, תכנון תהליך ייצור מסחרי וכמובן הצגה בפני מומחים.”

השנה בחרו הקבוצות המשתתפות מהטכניון בשני אתגרים: ייצור מוצר חדשני משיבולת שועל ופיתוח מוצרי מזון המותאמים לאוכלוסיית הגיל השלישי.

קבוצת Bioat (oat היא שיבולת שועל) זכתה במקום הראשון בשיפוט המקצועי ובמקום הראשון בקטגוריית “חביב הקהל” על פיתוח תחליף לאבנה טבעונית המבוססת על שיבולת שועל וסיבים תזונתיים. בשל מגבלות הקורונה שלחה הקבוצה את המוצר לשופטים באירופה, אך רק אחת מחמש החבילות הגיעה ליעדה בזמן. השופטת היחידה שקיבלה את החבילה לא ידעה לאבנה מהי, ולכן פנתה לעובדת במחלקה שלה שמוצאה מהמזרח התיכון, וזו העידה כי הטעם והמרקם של הלאבנה הטבעונית ממש דומים למקור.

בקבוצה חברות ארבע סטודנטיות לתארים מתקדמים: מעיין בן דוד, ליאורה ברנשטיין, קרולינה לייטרר וגיל רפאל. לדברי גיל רפאל, “לאחר שילדתי לא יכולתי לצרוך חלב ולכן חיפשתי תחליפי חלב טבעוניים. מוצרים כאלה אומנם קיימים בשוק, אבל רובם עתירי שומן ודלי חלבון. לכן ניסינו לייצר מוצר אלטרנטיבי שישלב טעם מצוין עם ערכים תזונתיים חיוביים ויזוהה עם המטבח הים תיכוני, ומה יותר מתאים מגבינת לאבנה?”

מימין לשמאל, מאחור: דיקנית הפקולטה פרופ’ מרסל מחלוף, ד”ר מאיה דוידוביץ-פנחס, פרופ’ אורי לזמס ופרופ’ אבי שפיגלמן; מלפנים: חברות Bioat ליאורה ברנשטיין, קרולינה לייטרר, גיל רפאל ומעיין בן דוד

קבוצת CRACKEAT, שזכתה במקום הראשון בתחרות פיתוח מוצר מזון לגיל השלישי, פיתחה יוגורט מבוסס סויה בתוספת עוגייה פריכה באריזה ייחודית – מוצר שזכה לשבחי השופטים על צורת ההגשה והטעם הייחודי. הפיתוח מספק חוויה מורכבת של מרקמים שונים, תוך הפחתה של פסולת פלסטיק לעומת פתרונות אריזה הקיימים כיום. בקבוצה חברים דור אבוחצירה, שלומית חכים, הדר כוכבי, ויקטוריה סקורטוב ולינור רוחלין. לדברי הדר, “יום אחד הצעתי לאמא שלי גלידה והיא אמרה שזה לא ממש בריא לה, כי גלידה מכילה הרבה סוכר ושומן רווי, ואנשים מבוגרים צריכים דווקא הרבה חלבון וסיבים תזונתיים. ככה עלה הרעיון לפתח קינוח שיהיה גם טעים וגם בריא, עם חיידקים פרוביוטיים. זאת הייתה דרך ארוכה עם המון אתגרים ואנחנו כמובן שמחים מאוד על הזכייה.”

קבוצת CRACKEAT עם המנחים. מימין לשמאל, למעלה: לינור רוחלין, ויקטוריה סקורטוב, שלומית חכים, פרופ’ אורי לזמס; למטה: פרופ’ אבי שפיגלמן, דור אבוחצירה, הדר כוכבי וד”ר מאיה דוידוביץ-פנחס

במקום השלישי באתגר מוצרי המזון לגיל השלישי זכתה קבוצה נוספת מהפקולטה ובה חברים שחר הפנר, נובה נוימן, כריסטין עובייד ודנה רז. הארבעה פיתחו את LiteDelight – עוגת שוקולד אישית טבעונית ודלת קלוריות המבוססת על מרכיבים טבעיים בלבד ומותאם לצרכים ולרצונות של האוכלוסייה המבוגרת. עוגה אישית זו זכתה לתשבחות על המרקם הרך שלה בשילוב עם הטעם המתוק ללא תוספת סוכר. לדברי שחר הפנר, “כדי לקלוע לטעמה של אוכלוסיית היעד ערכנו סקר טעימות ליד קולנוע שאליו הגיעו אזרחים ותיקים, וכדי לדייק את הטעם יותר נעזרנו באנשי בית הספר לקולינריה ‘בישולים’ שנתנו לנו טיפים מקצועיים חשובים.”

LiteDelight. מימין לשמאל: שחר הפנר, כריסטין עובייד, נובה נוימן ו דנה רז

בשל מגבלות הקורונה הקבוצות לא טסו השנה לאירופה בכדי להציג את המוצרים, אבל המוצרים נשלחו לחבר השופטים בכדי שיוכלו להעיד על הטעם והאיכות, מעבר לחדשנות של הרעיון ולתוכנית העסקית. בהערכת השופטים צוינו לשבח המוצרים של BIOAT,  LightDelight ו-CRACKEAT על הטעמים האיכותיים כמו גם המקצועיות והירידה לפרטים שניכרו בפרויקטים ובמוצרים הארוזים והממותגים שהועברו לידי השופטים.

התחרות, שהיא חלק מתוכנית חינוכית-אקדמית רחבה, מתקיימת במסגרת המיזם האירופי EIT FOOD שמטרתו לשפר ולחזק את סקטור המזון באיחוד האירופי תוך יצירת חדשנות וקידום קיימות ובריאות. בפעילות זו מעורבות אוניברסיטאות מובילות באירופה יחד עם חברות מובילות ובהן Nestle, Danone-Nutricia, Dohler, IMDEA ו-Puratos.

הזכיות הנוכחיות מצטרפות לשרשרת של ניצחונות של סטודנטים מהפקולטה בתחרויות דומות של EIT FOOD בשנים האחרונות. ב-2018 זכתה במקום הראשון קבוצת אלגלאפל, שפיתחה פלאפל מועשר בספירולינה. בשנת 2020 זכתה במקום הראשון קבוצת The Microbes, שפיתחה פתרון ביולוגי לקלקול מיצי פירות – תופעה שנזקיה נאמדים בעשרות מיליארדי דולרים בשנה.

חלק משמעותי בפיתוח המוצרים בטכניון כלל התייחסות לאפשרויות לייצור תעשייתי של המוצרים ועל כן נעשה במתקן הפיילוט בפקולטה, המדמה תנאי ייצור של מפעלי מזון אמיתיים. מתקן זה עובר כיום שדרוג משמעותי במסגרת הקמתו של “מרכז קרסו לחדשנות בטכנולוגיות מזון” – מרכז מחקר ופיתוח שיחבר את החוקרים ואת הסטודנטים בפקולטה לתעשייה הישראלית ויאפשר להם לערוך מחקרים ופעילויות הוראה על התשתיות המתקדמות ביותר.

היום הבינלאומי לשפה הערבית באו”ם מצוין בכל שנה בתאריך 18 בדצמבר, היום בו התקבלה החלטה של העצרת הכללית של האו”ם שהפכה את השפה הערבית לאחת השפות הרשמיות ושפות העבודה של האו”ם.

סטודנטים מהפקולטה למדעי המחשב ע”ש טאוב בטכניון פיתחו לאחרונה אפליקציה מיוחדת למיזם “מדרסה” שתסייע ללומדי ערבית. האפליקציה כוללת גם רכיב זיהוי קולי שיאפשר לעשרות אלפי התלמידים בקורסים המקוונים לתרגל את ההגייה שלהם בערבית.

“מדרסה” – הוא מיזם חברתי-קהילתי-טכנולוגי ללימוד ערבית מדוברת בחינם ולכולם, המקדם תקשורת טובה יותר בחברה הישראלית באמצעות קורסי ערבית מדוברת לקהל הרחב. המיזם מקדם את לימוד הערבית באמצעות פלטפורמה הכוללת קורסים מקוונים חינמיים, פעילות נרחבת בערוצי הדיגיטל ושיתופי פעולה רבים ומגוונים. כיום רשומים בקורסים של “מדרסה” יותר מ-100 אלף תלמידים.

לדברי גילעד סוויט, המייסד והמנהל המקצועי של מדרסה, “במשך שבע שנות הפעילות שלנו אנחנו רואים את הצורך של אנשים לתרגל את מיומנות הדיבור בעת הלמידה, ובמקביל שומעים שוב ושוב את אותה שאלה מהתלמידים: מה לגבי אפליקציה?”

לאחרונה הובילה השאלה האמורה לשיתוף פעולה בין “מדרסה” לפקולטה למדעי המחשב ע”ש טאוב בטכניון, זאת במסגרת קורס “פרויקט תעשייתי” בהנחיית פרופ’ אלכס ברונשטיין – קורס הממוקד בשיתופי פעולה עם התעשייה ובעתיד גם יוביל לשיתופי פעולה עם עמותות חברתיות שונות.

לפרויקט נרתמו הסטודנטים מחמוד יאסין וראג’ח עיאשה, שהתמקדו בפיתוח זיהוי קולי, והסטודנטים נור חמדאן, רינה עטיה, לינא מנסור ווידאד בולוס, שעבדו על פיתוח האפליקציה. לדברי סוויט, “העבודה עם הסטודנטים הייתה יעילה ומועילה מאוד. הם היו מגויסים, תרמו לנו מאוד ונהנינו מהעבודה המשותפת הן ברמה הלשונית והן ברמה הטכנולוגית.”

מחמוד וראג’ח יצרו יחד תשתית יעילה לבוטים המנהלים שיחות עם התלמידים. הבוט (רכיב זיהוי קולי) שייצרו עתיד לנהל שיחה בשפה הערבית המדוברת וללמד סטודנטים חדשים להגות מילים ולקיים שיחה בנושאים שונים בערבית. השיחות נכתבות על ידי הצוות הפדגוגי של מדרסה, והסטודנטים פיתחו עורך שינתב את רמת השיחה והתוכן בהתאם לידע שצבר כל תלמיד בקורסים המקוונים.

בחברת IBM התלהבו מהפיתוח ושוקלים לקדם אותו הלאה. לדברי סוויט, “בעזרתם של הסטודנטים מהטכניון הצלחנו לפתח רכיב זיהוי קולי שיאפשר סוף סוף לעשרות אלפי התלמידים בקורסים המקוונים שלנו לתרגל את ההגייה שלהם בערבית ולדבר תוך כדי למידה. הרכיב ישולב בהקדם במסגרת הקורסים לצד כלל הסרטונים, המשחקים והתרגילים, ויהווה מעין בּוֹט שיחה שבאמצעותו יוכלו התלמידים לתרגל את מיומנות הדיבור בערבית”.

פרויקט האפליקציה, שבו שותפים נור, רינה, לינא ווידאד, כלל הקמה ראשונית של האפליקציה ובהמשך התאמות שונות וטיפול בתקלות (באגים) שהתגלו.

האפליקציה תשדרג את חווית הלמידה וההתמדה, תספק התראות ותשמש בסיס לפיתוחים רבים נוספים כגון משחקים למובייל ועוד. האפליקציה צפויה לצאת לאור בגירסת בטא בחודשים הקרובים.

כיום מתכננת האנושות משימות חלל מאויישות עתידיות רחוקות, למשל למאדים. בשל המרחק חייבות משימות אלה להיות עצמאיות לחלוטין, שכן המרחק לא מאפשר לשלוח לחללית טכנאים, ציוד או חלקי חילוף. לכן חשובה היכולת ליצור את ההתקנים הדרושים, ובהם רכיבים אופטיים, בחללית עצמה.

רכיבים אופטיים מרכיבים מגוון רחב של מערכות בחלל מטלסקופים, דרך מצלמות ומיקרוסקופים ועד למשקפיים שהאסטרונאוטים מרכיבים. המערכות שמשמשות לכך על כדור הארץ – מתקנים של כרסום וליטוש – הן מערכות מסורבלות שאי אפשר לשגר אותן לחלל.

צוות המעבדה של פרופ’ מורן ברקוביץ מהפקולטה להנדסת מכונות בטכניון פיתח שיטה לייצור רכיבים אופטיים בתנאי מיקרו-כבידה, זאת באמצעות עיצוב של נוזל לצורה האופטית הרצויה על סמך הפיזיקה של נוזלים. אם הנוזל האמור הוא פולימר, אפשר גם להקשיח אותו לטובת ייצור רכיבים אופטיים בכל גודל.

בעקבות הצלחת הניסויים במעבדה, שם יוצרו תנאי מיקרו-כבידה מלאכותיים באמצעות אינטראקציה בין נוזלים שונים, החלו החוקרים להיערך לשלב הבא: ניסויי מיקרו-כבידה בחלל. ואכן, בקרוב צפוי הניסוי לעלות לתחנת החלל הבינלאומית, כחלק ממשימת רקיע בהובלת קרן רמון ובשיתוף משרד המדע והטכנולוגיה.

ובינתיים – בסוף השבוע האחרון בשיתוף NASA – המריא פרופ’ ברקוביץ’ יחד עם צוות המחקר שלו לשתי טיסות היפרבוליות באטמוספרה. טיסה כזו פירושה שבאמצעות צניחה חופשית של המטוס נוצרת בו מעין מיקרו-כבידה למשך כ-20 שניות. בתנאים אלה נבדק הפיתוח הייחודי. התוצאה: ב-20 השניות שהוקצבו לו הצליח הצוות לייצר בהצלחה את העדשות הנוזליות.

פרופ’ ברקוביץ מעריך כי זהו צעד דרמטי בדרך ליצירת טלסקופים גדולים בחלל – אתגר מורכב שעמו מתמודדים כל הגופים העוסקים בחקר החלל. כאמור, השלב הבא הוא ניסוי בתחנת החלל הבין-לאומית, כחלק ממשימת רקיע בהובלת קרן רמון ובשיתוף משרד המדע והטכנולוגיה, שילווה בפעילות חינוכית שישתתפו בה תלמידים בבתי ספר בישראל.

פרופ’ ברקוביץ מדגיש את תרומתם של חברי המעבדה לתהליך הפיתוח ולהצלחתו. לדבריו, “עומר לוריה הוביל את כל ההיבטים של התכן והבנייה – אופטיקה, מכניקה ואלקטרוניקה – תוך תשומת לב אין-סופית לפרטים. עם זאת, כל זה לא היה מתגשם בלי התרומה העצומה של כל אחד מחברי הצוות: מור אלגריסי, ד”ר ולרי פרומקין, דניאל וידקר, ישראל גבאי, יונתן אריקסון, ד”ר חאלד גומיד, עליזה שולצר ואלכסיי רזין.”

פרופ’ שולמית לבנברג

חוקרים בטכניון ובמרכז הרפואי שיבא פיתחו טכנולוגיה יעילה לייצור שתלים אסתטיים מתפקדים, מותאמים אישית, לשיקום אוזניים שלא התפתחו כראוי.

מיקרוטיה ((Microtia היא אוזן שהתפתחותה אינה תקינה ולכן היא קטנה ומעוותת. תופעה זו מתרחשת בכ-0.1 עד 0.3 אחוז מהלידות. לעיתים, מעבר למצוקה האסתטית, מעורבים בתופעה זו גם ליקויי שמיעה.

מאחר ששלד אפרכסת האוזן הוא סחוסי, מקובל לשקם מיקרוטיה באמצעות רקמת סחוס צלעי (costal cartilage) הנלקחת מאזור החזה של המטופל. שיטה זו כרוכה בכאב ובאי נוחות כמו גם בסיכון לסיבוכים נוספים. יתר על כן, יצירה של אוזן הדומה במדויק לאוזן השנייה מתבססת על כישוריו היצירתיים של המנתח ועל יכולות כירורגיות גבוהות.

ד”ר שירה לנדאו

כתב העת Biofabrication מדווח על פריצת דרך בנושא זה, שהושגה בשיתוף פעולה בין פרופ’ שולמית לבנברג מהפקולטה להנדסה ביו-רפואית בטכניון לבין ד”ר שי-יצחק דובדבני, רופא בכיר במחלקת אף אוזן גרון וכירורגיית ראש-צוואר וראש המעבדה להנדסת רקמות  במרכז הרפואי שיבא.

במחקר זה רתמו החוקרים טכנולוגיות חדשות של הנדסת רקמות, שפותחו במעבדת לבנברג בהובלת הפוסט-דוקטורנטית ד”ר שירה לנדאו, ליצירה של שלד מתכלה שעליו גדל שתל אפרכסת מותאם אישית.

השלד הייחודי, המאפשר יצירה של אוזן חיצונית אסתטית ויציבה, מיוצר בהדפסת תלת-ממד על פי הדמית CT. זהו שלד מתכלה (biodegradable) שעליו גדלים כונדרוציטים – תאים מתמחים שמהם בנוי הסחוס – ותאי גזע מניזכימליים. השלד מכיל נקבים זעירים בגדלים שונים, המאפשרים לתאים להיצמד זה לזה לכדי רקמת סחוס יציבה.

החוקרים מסבירים כי יצירת אפרכסת מהונדסת מתאי המטופל עצמו, תפחית את הסבל והסיכון הנגרם לילדים כתוצאה מקצירת סחוס צלעי מגופם. בנוסף, היא תאפשר לבצע את הניתוחים כבר בסביבות גיל 6 ולא אחרי גיל 10 – כנהוג כיום. הקדמת הניתוח לגיל צעיר יותר, עשויה לצמצם את ההשלכות הפסיכולוגיות של מיקרוטיה על ילדים.

החוקרים עקבו אחר גדילת הסחוס בשלד במעבדה במשך עשרה ימים עד 6 שבועות ואז השתילו את האוזן במודל עכבר. התוצאה: קליטה מוצלחת של השתל ותפקוד ביו-מכני טוב של האוזן המלאכותית.

לדברי פרופ’ לבנברג, “אחד האתגרים במחקר היה למצוא שיטה מתאימה להדפסה התלת-ממדית, שכן יצירה של אוזן מחייבת שימוש בחומרים המתכלים בגוף בלי להזיק לו אבל במבנה חיצוני מאוד מדויק ועם נקבים זעירים. את כל זה הדגמנו במחקר הנוכחי, ואנו מעריכים כי אפשר יהיה להתאים את הטכנולוגיה שלנו ליישומים נוספים כגון שיקום אף ויצירה של שתלים אורתופדיים שונים”.

ד”ר דובדבני מציין: “במחקר זה השגנו פריצת דרך משמעותית הודות לשילוב בין העולם הקליני לעולם המחקרי ולשיתוף הפעולה בין רופאים לחוקרים. מחקר זה הוא אבן דרך נוספת במעבר לטכנולוגיות מתקדמות ברפואה, שבהן השימוש בתלת-ממד ובהנדסת רקמות יהווה חלק נכבד וייתן מענה מיטבי ומתקדם למטופלים”.

שיתוף פעולה בין חוקרים מהטכניון ומאוניברסיטת אוטרכט בהולנד שופך אור על סוגיית “אי-הרגישות המבנית” בתהליכי קטליזה. המחקר שהתפרסם ב-Nature Communications נערך בהובלת ד”ר שרלוט ווגט מהפקולטה לכימיה ע”ש שוליך בטכניון ובשיתוף פרופ’ ברט ווקהויזן מאוניברסיטת אוטרכט בהולנד.

ד”ר שרלוט ווגט

קטליזה היא כלי חיוני במגוון רחב של תעשיות לרבות תעופה, בנייה, זיקוק נפט, מזון ותרופות. כלי זה מייצר שינוי משמעותי במולקולה נתונה באמצעות קטליסט – זָרָז בעברית. הזרז עצמו הוא חלקיק זעיר המעורר תהליך כימי. זרזים מסוימים, לדוגמה, מניעים היווצרות של אמוניה, שהיא חומר חיוני לחקלאות. האמוניה נוצרת מאינטראקציה בין מולקולות של מימן וחנקן – אינטראקציה שאינה מתרחשת ללא זירוז כזה.

ד”ר ווגט חוקרת כבר שנים רבות נושאים הקשורים בקטליזה, והמאמר הנוכחי הוא כבר המאמר החמישי שלה, כמחברת ראשית, המתפרסם בכתבי העת של קבוצת Nature. לדבריה, “מאז ומתמיד הפתיעה אותי העובדה שקטליזה, שהיא אחד מתהליכי הייצור החשובים ביותר, אינה זוכה להתייחסות מספקת מהזווית של מחקר בסיסי. אחת הסיבות לכך היא רמת הסיבוך של תהליכים אלה – אינספור אירועים חשובים המתקיימים בעת ובעונה אחת.”

בעבודת הדוקטורט שלה באוניברסיטת אוטרכט בחנה ד”ר ווגט תופעה הקרויה רגישות מבנית. “פירושה של תופעה זו הוא שלא כל האטומים שעל פני השטח של הזרז פעילים באותה מידה בתהליך הקטליטי. לחלקיקים גדולים יותר יש שטח פנים מישורי רב יותר. לחלקיקים קטנים יותר, מנגד, יש יותר אזורים בלתי-מישוריים. תגובות קטליטיות מסוימות אופייניות יותר לאזורים מישוריים ואחרות לאזורים בלתי מישוריים. לעתים חלקיק גדול יותר יהיה יעיל יותר מחלקיק קטן, ולפעמים להיפך.”

אחרי שנים של עיסוק בסוגיית הרגישות המבנית החליטה ד”ר ווגט לחקור את הצד השני של המטבע: אי-רגישות מבנית. “כפי שאמרנו, אנחנו רגילים שהקטנת החלקיק משנה את התגובתיות שלו, וקוראים לזה רגישות מבנית; אבל במקרים רבים, שינוי גודל החלקיק אינו משנה את פעילותו. התופעה הזאת, אי-רגישות מבנית, הפליאה חוקרים רבים במשך עשרות שנים, ועם זאת עדיין לא נמצא לה הסבר מניח את הדעת.”

המחקר התבסס במידה רבה על Operando spectroscopy, טכנולוגיה המאפשרת לאפיין את הזרזים בשעת פעילותם.

במחקר הנוכחי הראו ד”ר ווגט ועמיתיה כי אי-רגישות מבנית אינה תכונה מהותית; לאמיתו של דבר, החלקיק הננומטרי פשוט מתארגן מחדש כך שהוא חושף רק אתרים מסוימים על פני השטח שלו. יתר על כן, באמצעות טיפול פשוט בחלקיק אפשר להחזיר לו את רגישותו המבנית וכך להפוך אותו לאמצעי יעיל בתהליכי קטליזה. גילויים אלה התבססו על כמה כלים מחקריים מתקדמים ובהם בחינה של החלקיקים במאיצי חלקיקים ותחת קרני X.

הסוגיות הסביבתיות הן מניע מרכזי בעבודתה של ד”ר ווגט. “בתור ילדה הייתי מודאגת מאוד מגשם חומצי. בסופו של דבר נמצא לכך פתרון מסוים והוא מבוסס על קטליזה. גם עכשיו, בהקשר של שינויי אקלים, קטליזה היא הפתרון, משום ששיפור הקטליזה באמצעות הגדלת האקטיביות של הזרז עשוי להוביל לצמצום פליטות הפחמן. יותר מכך, אנחנו יודעים כיום שגם שיפור מינורי של הקטליזה יכול להוביל לצמצום דרמטי בפליטת הפחמן. לכן לכל פריצת דרך בתחום הקטליזה עשויות להיות השלכות משמעותיות על תהליכים כגון זיקוק נפט ויתר על כן, על צמצום התלות שלנו בדלקים מחצביים כגון נפט.”

ד”ר ווגט, בת 30, נולדה בהולנד וגדלה ביוסטון, טקסס. באוניברסיטת אוטרכט בהולנד היא השלימה את כל תאריה בכימיה וכן תואר שני במינהל עסקים. בין לבין היא פתחה עסק בתחום הביגוד והתנדבה בסיוע לילדים במונגוליה.

לישראל הגיעה ד”ר ווגט במסגרת הדוקטורט, ובתקופת שהותה במכון ויצמן התאהבה בישראל ובישראלים. “אני לא בטוחה שאתם מבינים מה יש לכם כאן,” היא אומרת. “שמש, ים, אוכל מדהים, פתיחות אנושית. כאישה אני מוצאת כאן המון יתרונות, כי יש לנו כאן הרבה יותר הזדמנויות ושוויון הזדמנויות. לתחושתי, כאן, בניגוד להולנד, אין ניגוד כל כך ברור בין קריירה ומשפחה.”

גם כמדענית היא אהבה את מה שמצאה כאן – “תרבות של ידע ומחקר שמעודדת גם מחקר לשמו וגם מחקר שנועד לשיפור העולם. אישית אני אוהבת מחקר בסיסי שיש לו אופק טכנולוגי ויישומי, אבל חשוב שיהיו גם מדענים השקועים בתוך המדע הבסיסי, וזה דבר שמאפיין מאוד את ישראל. לכן אני שמחה שיש גופים כמו הקרן הישראלית למדע שמקדמים מדע בסיסי ולא מתנים את המענקים בהבטחה יישומית. זאת סביבה שמאפשרת למדענים ‘לשחק’ עם רעיונות וניסויים באופן שמאוד מעודד יצירתיות ופריצות דרך.”

בשנת 2018 קיבלה ד”ר ווגט את מלגת ות”ת לסטודנטים זרים מצטיינים; בשנת 2019 היא זכתה בפרס “מדענית יוצאת דופן” מטעם האגודה הישראלית לוואקום (IVS) וחברת אינטל, זאת על “הישגים יוצאי דופן בראשית הקריירה” ובמלגת נילס סטנסן; והשנה היא נכללה ב- Forbes 30 Under 30 – רשימת 30 החוקרים המובילים באירופה בתחומי המדע והרפואה – וקיבלה את Clara Immerwahr Award, פרס הניתן למדעניות מבריקות הנמצאות בתחילת הקריירה שלהן כדי שיצליחו בעבודתן ויהוו מודל לחיקוי עבור נערות ונשים צעירות.

תגובות מסוימות מאופיינות ברגישות מבנית ואילו אחרות, לכאורה, אינן כאלה.

לטכניון היא הגיעה במסגרת חיפושיה אחר מקום להשתקע בו כחברת סגל. “מה שראיתי במרכז זיסאפל לננו-אלקטרוניקה בטכניון הדהים אותי. יש כאן תשתיות ממש מעולות, למשל במיקרוסקופייה, וציוד מתקדם שלא היה לי בהולנד; כחוקרת בהולנד נאלצתי לטוס לא מעט לארצות הברית בשביל ניסויים מסוימים, ועכשיו יש לי הכל כאן לידי. בנוסף מתקיים בטכניון שילוב מופלא של חופש וסדר – נותנים לך להתפתח בכיוון שבחרת ו’לשחק’ עם רעיונות ואפשרויות, אבל גם מספקים לך תמיכה עצומה שמאפשרת לך לעשות את הדברים האלה בתוך מסגרת מאוד תומכת ומעצימה.”

במרץ 2021 הקימה ד”ר ווגט בטכניון את המעבדה לקטליזה לדלקי העתיד. בנוסף להיותה חברת סגל בפקולטה לכימיה ע”ש שוליך היא חברה בתוכנית האנרגיה ע”ש גרנד בטכניון. מלבד התשתיות והרוח הטכניונית היא מדגישה את חשיבותו של ההיבט האנושי בעבודתה כאן. “מהרגע שהגעתי לפקולטה נכנסו כל הזמן אנשים שלא הכרתי כדי להגיד שלום, לברך אותי ולומר שישמחו לעזור ולשתף פעולה. את הגישה הישראלית הזאת רואים גם בסטודנטים שלנו – הם לא רק חכמים אלא גם חצופים בקטע טוב. הם יוזמים ומציעים הצעות ולא מחכים שיגידו להם מה לעשות, ויש להם מוטיבציה לשנות את העולם. מעבר לכך, החוקרים והסטודנטים הישראלים חושבים רחוק, במונחים של פריצות דרך.”

אחד האתגרים העיקריים הניצבים בפני האנושות במאה הנוכחית הוא ייצורם של דלקים וחומרים אחרים ממקורות אלטרנטיביים כגון פחמן דו-חמצני ופסולת ביו-מסה.

למאמר בכתב העת  Nature Communications לחצו כאן