הנעה אופטימלית

מחקר בין-תחומי, שנערך בשלוש פקולטות בטכניון, מגלה את התצורה האופטימלית של רובוטים זעירים שינועו בתוך הגוף וימלאו משימות רפואיות שונות. המודל שפותח בטכניון עולה בביצועיו על מודלים קודמים שפותחו בהשראת הטבע

פרופ' אלכס לישנסקי

פרופ' אלכס לישנסקי

קבוצת מחקר משלוש פקולטות בטכניון פענחה את התצורה האופטימלית להנעת רובוטים זעירים השוחים בגוף האדם. את המחקר, שהתפרסם בכתב העת Science Robotics, הוביל פרופ' אלכס לישנסקי מהפקולטה להנדסה כימית ע"ש וולפסון.

קבוצות מחקר רבות ברחבי העולם עוסקות בעשור האחרון בפיתוח רובוטים זעירים – ננומטריים ומיקרומטריים – הנעים בסביבה נוזלית. זאת משום שרובוטים כאלה עשויים לתרום רבות לעולם הרפואה, למשל בהובלת תרופות.

מקור ההשראה הראשוני לפיתוח של רובוטים זעירים הוא תנועתם של חיידקים, הנעים באמצעות שוטון סלילי דק (flagellum). סיבובו של השוטון בתוך הנוזל יוצר חיכוך המניע את החיידק. בהשראתו של מנגנון טבעי זה פיתחו קבוצות אלה סלילים זעירים המונעים על ידי שדה מגנטי אחיד מסתובב.

לשימוש בשדה מגנטי מסתובב להנעה של אובייקטים זעירים כמה יתרונות, ובהם עוצמת השדה הנמוכה הנדרשת לשם כך. מכיוון שייצורם של סלילים זעירים הוא תהליך מורכב, הוצע לאחרונה להשתמש בצברים אקראיים של ננו-חלקיקים מגנטיים בתור "שחיינים" זעירים. צברים אלה נוצרים בתהליך פשוט של התקבצות (אַגְרֶגַצְיָה). כעת, במחקר שהתפרסם ב-Science Robotics, מראים חוקרי הטכניון כי גישה זו אינה מובילה לתוצאות האופטימליות.

במסגרת המחקר פיתחו חוקרי הטכניון תאוריה המאפשרת לחשב מהירות תנועה אופטימלית של שחיינים מגנטיים כתלות בצורה ובמיגנוט. באמצעות תאוריה זו הם כימתו את המהירות המקסימלית האפשרית של צברים מגנטיים אקראיים וחישבו תצורות אופטימליות של "שחיינים" למנגנון הנעה זה. להפתעתם הם גילו שהסליל הדק שפותח בהשראת הטבע אינו המבנה האופטימלי, וכי הצורה האופטימלית מזכירה קשת עבה עם קצוות מפותלים. כמו כן, הם מצאו שהתצורות שגילו, נעות במהירות גבוהה פי כמה ממהירותם של הצברים האקראיים שפותחו קודם.

בקבוצת המחקר הטכניונית חברים חוקרים משלוש פקולטות: הפקולטה למתמטיקה, הפקולטה לפיזיקה והפקולטה להנדסה כימית ע"ש וולפסון. פרופ' אלכס לישנסקי, שהוביל את המחקר, מעריך כי הממצאים יובילו לפיתוחם של מיקרו-רובוטים יעילים יותר. לדבריו, "ההנחה של רוב קבוצות המחקר העוסקות בתחום היתה שמבנהו הסלילי של השחיין הזעיר שפותח בהשראת הטבע הוא המבנה האופטימלי. להפתעתנו גילינו שהצורה האופטימלית אינה סלילית, ולשמחתנו הצלחנו להציג תצורה יעילה יותר."

 

המחקר נתמך על ידי קרן גרמניה-ישראל (GIF), הקרן הישראלית למדע (ISF) ומענק משותף ("קמע") של המשרד לקליטת עליה והוועדה לתכנון ותקצוב במועצה להשכלה גבוהה.

למאמר המלא http://bit.ly/2KsYZgl

לסרטון המציג את המחקר

בסרטון: השחיין המלאכותי האופטימלי מסתובב סביב עצמו בהשפעת השדה המגנטי וכך נע כלפי מעלה

 

תמונה קבוצתית (מימין לשמאל): קונסטנטין מורוזוב, פרופ' אלכס לישנסקי ויוני מירזאי

תמונה קבוצתית (מימין לשמאל): קונסטנטין מורוזוב, פרופ' אלכס לישנסקי ויוני מירזאי

באיור: השדה המגנטי מסובב את השחיין המלאכותי האופטימלי וכך גורם לו לנוע קדימה (ימינה, באיור שלפנינו).

באיור: השדה המגנטי מסובב את השחיין המלאכותי האופטימלי וכך גורם לו לנוע קדימה (ימינה, באיור שלפנינו).