חדשות

פרופ' עדי אריה מבית הספר להנדסת חשמל, פרופ' לב שמר מבית הספר להנדסה מכנית והדוקטורנט גאורגי גרי רוזנמן מהפקולטה למדעים מדויקים ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר.

בנוסף, החוקרים מאוניברסיטת אולם ומכון החלל הגרמני הם ד״ר מנואל רודריגז גונקאלבס, ד״ר מתיאס צימרמן, פרופ׳ מקסים איפראימוב ופרופ׳ וולפגאנג שלייך והחוקר מאצות הברית הוא פרופ׳ וויליאם קייס. פרופ' עדי אריה מופקד על הקתדרה לננו-פוטוניקה ע"ש מרקו ולוסי שאול. 

שהיה של הגל

גלים אלקטרומגנטיים, גלי חומר וגלי כבידה משטחיים יכולים להתרכז לאזור קטן וממוקד במרחב, תופעה המוכרת בתור מיקוד בהיר. זהו העיקרון על בסיסו פועלים שלל התקנים אופטיים ובהם עדשות, טלסקופים, מצלמות, מיקרוסקופים, זכוכית מגדלת וגם העין האנושית. עבודה קודמת שנעשתה אף היא במעבדתו של פרופ' אריה יחד עם חלק מהשותפים למחקר החדש, כללה את פיתוחו של מוליך גלים מסוג חדש, מראה כי ניתן לבצע מיקוד גם ללא עדשה – כאשר אור או כל גל אחר עובר דרך חריץ צר ומתרכז לאזור בהיר במרחב.

הדוקטורנט גאורגי גרי רוזנמן מסביר: "מיקוד בדרך כלל מקושר לעלייה בעוצמת האור באזור מצומצם במרחב, כפי שניתן לצפות באור העובר דרך עדשה, וכאן ניסינו לבצע את הפעולה ההפוכה, כלומר להוריד כמעט לאפס את כמות האור בנקודה מסוימת במרחב. התופעה שגילינו בניסוי וגם חקרנו באמצעות תאוריה נלווית, מכונה מיקוד עקיפתי אפל. במסגרת התופעה הזו, גלים מתרכזים לנקודה אחת במרחב, אבל שלא כמו במיקוד בהיר, מקבלים מינימום של עצמה בעוד שבכל שאר המרחב ישנם גלים בעוצמה גבוהה."

במאמר מפרטים החוקרים את הניתוח התאורטי של הבעיה באמצעות כלים ממכניקת הגלים וממכניקת הקוונטים. החוקרים מציינים כי על פי התחזית התאורטית, תופעה זו יכולה להתרחש גם בהיעדר עדשה המרכזת את האור, בנוכחות סדק בלבד. רוזנמן מוסיף ואומר כי "הבסיס לעקרון הפעולה החדש שפענחנו, הוא שבמחצית מהסדק תתבצע השהיה של הגל, לעומת החצי השני שבו הגל יעבור לא השהיה. עבור גלים אופטיים למשל, ניתן לממש השהיה כזו על ידי הוספת לוחית דקה של זכוכית שתכסה את מחציתו של הסדק. הניסוי שבוצע השתמש ברעיון דומה, אבל עבור גלי מים".

רוזנמן מפרט לגבי השלב השני של המחקר, בו חזו בתופעה המרתקת גם בגלי כבידה משטחיים של מים: "במעבדתו של פרופ' לב שמר, יצרנו מערך של גלי כבידה משטחיים בבריכת גלים שאורכה כ-5 מטרים. על בסיס התחזית התיאורטית הנדסנו את מבנה הסדק המיוחד במרחב הזמן, וצפינו לראשונה בתופעה של מיקוד עקיפתי אפל באופן ניסיוני. למעשה הבנו כי מיקוד עקיפתי אפל איננו רק התאום המנוגד  למיקוד הבהיר, אלא שיש לו גם הרבה תכונות מעניינות בפני עצמו. למשל, ראינו כי המיקומים של מוקדי החושך שונים מאלה של מוקדי האור, וכי הוצאת המערכת מפוקוס עשויה לגרום להיווצרותם של פסי חושך רחבים".

החוקרים טוענים כי לתופעה החדשה שגילו והסבירו יש השלכות מעניינות בהבנה של תופעות גליות, וכי יתכנו יישומים שלה גם בגלים אקוסטיים ואלקטרומגנטיים. רוזנמן מסכם: "בעזרת המסקנות מהניסויים שערכנו ומהתאוריה שבנינו, אנו מעריכים כי ניתן יהיה להעלים רעשים באופן ממוקד או ללכוד ולהזיז חלקיקים בצורה יעילה יותר. אמנם התופעה עוסקת בחושך אך היא כנראה תביא הרבה אור מדעי לחיינו, שכן זהו פתח לתופעות פיזיקליות חדשות".

המחקר פורסם בעיתון היוקרתי Applied Physics B 

קישור למחקר

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

המחקר נערך בהובלת הדוקטורנט יואב שמחוני מביה"ס להנדסת חשמל, יחד עם ראש ביה"ס לפיזיקה ולאסטרונומיה פרופ' ארז עציון ופרופ' עופר עמרני מהפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן, ראש המעבדה ללוויינות זעירה.

יצוין כי "הכספת" צפויה להיכלל בסדרת הניסויים פורצי הדרך שיערכו במסגרת משימת "רקיע" בהובלת קרן רמון וסוכנות החלל הישראלית. איתן סטיבה, הישראלי השני בחלל ימריא למשימה בתחנת החלל הבינלאומית בחודש פברואר הקרוב. סטיבה צפוי לערוך עשרות ניסויים עבור חוקרים מובילים משורת אוניברסיטאות וחברות מסחריות בישראל.

פרופ' עציון ופרופ' עמרני מסבירים: "שילוב משימת הכספת במסגרת משימת "רקיע" יספק הזדמנות נדירה לבחון את אבני הבניין של טכנולוגיה זו בחלל. במקביל למחקר האקדמי, הפעילות ונושא המחקר ממונפים לטובת קידום תכנית חינוכית-מדעית בתחום החלל והקרינה."

בתמונה מימין לשמאל: פרופ' עפר עמרני, איתן סטיבה ויואב שמחוני, יחד עם הכספת במפגש ביניהם בקיץ (צילום: אוניברסיטת תל אביב)

הדוקטורנט יואב שמחוני מוסיף: "כיום, ציוד אלקטרוני הנשלח לחלל חייב בהתאמות ייעודיות למניעת נזק אפשרי מהקרינה בחלל. ההגנה שתספק הכספת תאפשר שימוש ברכיבים מסחריים בחלל, בכך תפתח הדלת  לשימוש ברכיבים אלקטרוניים מתקדמים תוך קיצור ניכר הן של זמני הפיתוח והן של עלויות המוצרים החלליים."

בנוסף, שותפים להצלחת הפרויקט: מאוניברסיטת תל-אביב - דולב בשי, אלעד שגיא, ברוך מאירוביץ וצוות בית המלאכה, ד״ר יאן בן חמו, ד״ר איגור זולקין, ד״ר מאיר אריאל, אורלי בלומברג, אדוארד קרט, לילי אלמוג וצוות הרכש, יסמין מילר והצוות המשפטי, ומספר סטודנטים להנדסת חשמל, תוכנה ופיזיקה. ממכללת אפקה - ד״ר אלכס סגל, התעשייה האווירית, חברת ננורקס המתאמת את העבודה מול נאס״א, משרד עורכי הדין ארליך, סאם ברקוביץ' ומשרד עורכי הדין הרצוג פוקס נאמן, חברת ארוטק, טל אחיטוב.

המחקר נערך על ידי צוות מומחים מאוניברסיטת תל אביב, בהובלת פרופ' יעל חנין מבית הספר להנדסת חשמל ופרופ' דינו לוי מהפקולטה לניהול ע"ש קולר, ובהשתתפות ד"ר אנסטסיה שוסטר, ד"ר לילך אינזלברג, ד"ר אורי אוסמי והדוקטורנטית ליז איזקסון. המחקר פורסם בכתב העת היוקרתי Brain and Behavior.

המחקר החדש התאפשר הודות לפיתוח חדשני ופורץ דרך מהמעבדה של פרופ' יעל חנין: מדבקות המודפסות על משטחים רכים ומכילות אלקטרודות מיוחדות, המאפשרות לנטר ולמדוד את פעילות השרירים והעצבים. לפיתוח, שכבר ממוסחר דרך חברת X-trodes, יישומים רבים כמו ניטור שינה מהבית, זיהוי מוקדם של מחלות עצביות ושיקום– אבל הפעם החוקרים מאוניברסיטת תל אביב החליטו להשתמש בו בכיוון אחר: זיהוי שקרים.

"מחקרים רבים הראו שאי אפשר באמת לזהות שקר, וכל האנשים שטוענים שהם יודעים לזהות 'פוקר פייס' – משלים את עצמם", מסביר פרופ' לוי. "יש מומחים, למשל חוקרי משטרה, שמצליחים קצת יותר, אבל רק קצת. ואילו הטכנולוגיה הקיימת של גלאי אמת בעייתית עד כדי כך שהיא אפילו לא קבילה בבית המשפט. תמיד אפשר ללמוד לשלוט על הדופק ולהערים על המכונה. מכל זה נובע שצריך טכנולוגיה אמינה ומדויקת יותר לזיהוי שקרים. הנחת יסוד אחת במחקר היא ששרירי פנים מתעוותים כשאנו משקרים, אלא שעד כה האלקטרודות פשוט לא היו רגישות מספיק כדי למדוד את העיוותים הללו".

במסגרת הניסוי, החוקרים הדביקו את האלקטרודות המיוחדות על שתי קבוצות שרירי פנים: שרירי הלחי הסמוכים לשפתיים והשרירים שמעל הגבות. הנסיינים נתבקשו לשבת אחד מול השני, כשלראשם אוזניות, שהשמיעו את המילים "קו" או עץ". כאשר נסיין אחד שמע "קו" ואמר "עץ", או שמע "עץ" ואמר "קו", הוא שיקר כמובן – והיושב מולו היה צריך לנסות ולזהות השקר.

בשלב השני, הנסיינים התחלפו, והמנחש התבקש להגיד אמת או שקר. כצפוי, המשתתפים בניסוי לא הצליחו לזהות אם שיקרו להם במובהקות סטטיסטית, אולם האותות החשמליים מפניהם אפשרו לחוקרים להגיע לתוצאה חסרת תקדים של זיהוי השקר ב-73% מהמקרים.

"מדובר במחקר ראשוני, ולכן השקר עצמו היה פשוט", אומר פרופ' לוי. "לרוב, כשאנחנו משקרים אנחנו מספרים סיפור ארוך יותר מ'קו' ו'עץ', עם מרכיבים של אמת ומרכיבים של שקר. אבל היתרון המחקרי כאן הוא שאנחנו ידענו מה נאמר באוזניות, כלומר ידענו מתי נאמר שקר ומתי אמת, וכך אימנו את התוכנה באמצעות למידת מכונה מתוחכמת לזהות שקרים לפי אותות ה-EMG באלקטרודות, והגענו לדיוק של 73% - לא מושלם, אבל טוב בהרבה מכל טכנולוגיה קיימת. תוצאה מעניינת אחרת הייתה שאנשים שונים משקרים באמצעות שרירים אחרים בפנים: חלק שיקרו עם שרירי הלחי וחלק עם השרירים שמעל הגבות".

לתוצאות הללו ייתכנו השלכות דרמטיות על היבטים רבים של חיינו, שכן המחקר הבסיסי לגבי הפיזיולוגיה של הפנים בעת אמירת השקר יכול לייתר את הצורך באלקטרודות – ולאמן תוכנות וידאו לזהות שקרים לפי תנועות השרירים עצמם. "בבנק, בחדר החקירות, בנמל התעופה או סתם בריאיון עבודה בזום, מצלמות ברזולוציה גבוהה שאומנו לזהות את תנועות שרירי הפנים ידעו לזהות מתי אנחנו דוברי אמת ומתי שקר", מסכם פרופ' לוי. "ברגע שנעבור את השלב הניסויי, נאמן את התוכנות ונייתר את הצורך באלקטרודות, היישומים רבים ומגוונים".