צבא המכונות הזעירות: פריצת הדרך שתכניס רובוטים לזרם הדם שלנו
- גור זיו
- לפני 3 ימים
- זמן קריאה 4 דקות
במשך 30 שנה, מדענים לא הצליחו לבנות מכונות מכניות קטנות יותר מגודל של 0.1 מ"מ. עד עכשיו. חוקרים שוודים פיתחו טכנולוגיה מהפכנית לבניית גלגלי שיניים ומנועים זעירים בסדר גודל של תאים ביולוגיים, המונעים כולם על ידי... אור! פריצת הדרך הזו עשויה לאפשר בעתיד ננו-רובוטים שישחו בזרם הדם שלנו ויספקו תרופות ישירות לתאים חולים.
מאז שחר הציוויליזציה, סיפורה של הטכנולוגיה האנושית הוא סיפור על מכונות. מגלגלי המים העתיקים ששאבו מים מהנילוס, דרך מנועי הקיטור שהניעו את המהפכה התעשייתית, ועד למנועי הסילון והזרועות הרובוטיות של ימינו, שאפתנותנו תמיד דחפה אותנו לבנות מנגנונים מורכבים יותר, יעילים יותר, ובעידן המודרני - קטנים יותר. המזעור הפך למילת המפתח, הבטחה לעולם שבו מכשירים חזקים יותר נארזים לתוך מארזים קטנים יותר, מצ'יפים במחשב ועד לציוד רפואי. אך בתחום אחד, תחום המכונות המכניות הזעירות, נתקלה השאפתנות הזו בקיר.
במשך למעלה משלושים שנה, מאז שנות התשעים של המאה ה-20, עולם המיקרו-מכניקה היה תקוע. מדענים הצליחו לייצר גלגלי שיניים ומנועים זעירים, אך לא הצליחו לפרוץ את מחסום הגודל של כ-0.1 מילימטר, או 100 מיקרומטר. הסיבה הייתה פשוטה ומורכבת כאחד: בגדלים כאלה, בניית מערכות הנעה זעירות, עם חיווט חשמלי, סוללות או שדות מגנטיים מורכבים, הפכה למשימה כמעט בלתי אפשרית. הקיר הזה נראה בלתי עביר. כעת, צוות חוקרים מאוניברסיטת גטבורג בשוודיה הצליח לא רק לטפס מעל הקיר הזה, אלא לרסק אותו לחלוטין. הם פיתחו גישה חדשה ומהפכנית לבנייה והפעלה של מכונות, המאפשרת להם ליצור גלגלי שיניים ומנועים הקטנים פי עשרה מכל מה שהיה קיים עד כה, וכל זאת באמצעות הכוח הפשוט והאלגנטי ביותר שקיים: אור.
פריצת הדרך הזו, שפורסמה בכתב העת Nature Communications, אינה רק שיפור של טכנולוגיה קיימת. היא מציגה פרדיגמה חדשה לחלוטין. במקום לנסות ולדחוס מנוע מסורבל לתוך מכונה זעירה, הצוות, בהובלת גאן וואנג (Gan Wang) ופרופ' ג'ובאני וולפה (Giovanni Volpe), שאל שאלה אחרת: מה אם המכונה עצמה יכולה להפוך למנוע? מה אם ניתן להפעיל אותה מרחוק, ללא חוטים, סוללות או שדות חיצוניים מורכבים? התשובה שלהם טמונה בטכנולוגיה חדשנית המכונה משטח-על אופטי (Optical Metasurface).
כדי להבין את הרעיון, דמיינו סירת מפרש. רוח הפוגעת ביריעת בד פשוטה תדחוף אותה קדימה, אך באופן לא יעיל. מפרש מתוחכם, לעומת זאת, מעוצב בזוויות מדויקות כדי "לתפוס" את הרוח ולהסיט אותה באופן שמייצר דחף מקסימלי. משטח-על אופטי עושה בדיוק את זה, אבל לאור. זהו משטח זעיר, במקרה הזה עשוי סיליקון, שעליו "חרטו" המדענים תבנית של עמודים ננומטריים בלתי נראים לעין, המכונים "מטא-אטומים". העמודים הללו מסודרים בתבנית מדויקת, והם פועלים כמפרשים מיקרוסקופיים לאור. כאשר קרן אור אחידה ובלתי ממוקדת פוגעת במשטח, ה"מפרשים" הזעירים הללו מסיטים את האור בכיוון מסוים. על פי חוק שימור התנע, הפעולה הזו יוצרת כוח דחיפה בכיוון הנגדי, המניע את המשטח - ואת המכונה שאליה הוא מחובר.
הגאונות האמיתית של הגישה הזו היא השילוב בין פשטות ההפעלה למורכבות הייצור. המכונות עצמן מיוצרות בשיטות מיקרו-ליתוגרפיה (Microlithography) סטנדרטיות, אותן טכניקות המשמשות לייצור המוני של שבבי מחשב. על גבי פרוסת סיליקון אחת, ניתן "להדפיס" עשרות אלפי מכונות זעירות כאלה בו-זמנית, כל אחת מצוידת במשטח-העל המשמש לה כמנוע. לאחר הייצור, המכונות הזעירות משוחררות מהשבב ומושהות בתוך טיפת מים. הן צפות שם, דוממות, עד שקרן אור אינפרא-אדום פשוטה מאירה עליהן. ברגע שהאור פוגע בהן, המפרשים הננומטריים מתעוררים לחיים, והמכונות מתחילות לנוע.
התוצאה הראשונה שהשיג הצוות הייתה מנוע סיבובי זעיר, בקוטר של עשרות מיקרומטרים בלבד. "הצלחנו לייצר מיקרו-מנועים שהם קטנים פי עשרה מאלו שקיימים כיום", מסביר פרופ' וולפה. "המזעור הזה אומר שמנוע הוא כעת באותו גודל כמו תא ביולוגי ממוצע. זה מאפשר לנו לבנות כלים שיוכלו לנוע בתוך הגוף כדי להעביר תרופות, או לפעול בתוך מכשירי 'מעבדה-על-שבב'." המנועים הללו לא רק קטנים, אלא גם ניתנים לשליטה מדויקת. על ידי שינוי הקיטוב של האור - הכיוון שבו גלי האור רוטטים - יכלו החוקרים לשלוט באופן דינמי על כיוון הסיבוב של המנוע, לגרום לו להסתובב ימינה או שמאלה, ואף לעצור אותו לחלוטין, והכל מבלי לגעת בו פיזית.
אך מנוע בודד, מרשים ככל שיהיה, אינו מכונה. השלב הבא והמכריע היה להוכיח שניתן להשתמש במנועים אלו כדי להפעיל מערכות מכניות מורכבות יותר. כאן, הצוות בנה שורה של "מטא-מכונות" - מכונות מיקרוסקופיות המונעות על ידי מטא-משטחים. הראשונה הייתה רכבת גלגלי שיניים קלאסית. הם בנו גלגל שיניים אחד שהכיל את משטח-העל האופטי, והצמידו אליו שורה של גלגלי שיניים "פסיביים", ללא מנוע. כאשר קרן האור האירה על המערכת, הגלגל הראשון החל להסתובב, והניע אחריו את כל שאר גלגלי השיניים בשרשרת, בדיוק כמו במנגנון של שעון שוויצרי, רק בגודל של חיידק.
לאחר מכן, הם בנו מנגנון מתוחכם עוד יותר של מסרק וגלגל שיניים (Rack and Pinion). במנגנון זה, גלגל שיניים מסתובב (הפיניון) משתלב בפס שיניים ישר (המסרק). סיבוב הגלגל גורם לפס כולו לנוע קדימה ואחורה. המטא-מכונה שלהם עבדה באופן מושלם. על ידי שינוי קיטוב האור, הם יכלו לגרום לגלגל השיניים להסתובב ימינה ושמאלה, ולהניע את פס השיניים בתנועה קווית מדויקת. על גבי פס השיניים הזה, הם הרכיבו מראת זהב זעירה. כך, באמצעות שליטה באור בלבד, הם יכלו להזיז את המראה קדימה ואחורה, ולכוון קרן אור אחרת על גבי השבב. הם יצרו מתג אופטי מיקרוסקופי המופעל כולו על ידי אור. "החידוש המרכזי כאן הוא שאנו יכולים לשלוט במכונות הזעירות הללו באמצעות אור", אומר פרופ' מיקאל קל (Mikael Käll), שותף בכיר למחקר. "זה מאפשר לנו להזיז אותן בדיוק רב, וגם להפעיל אלפים מהן בו-זמנית... ניתן לדמיין מערך של אלפי מכונות המבצעות משימות במקביל".
פריצת הדרך הזו פותחת עולם חדש של אפשרויות, שבעבר התקיימו בעיקר על דפי המדע הבדיוני. בתחום הרפואה, גודלן הזעיר של המכונות - המתקרב לסדר הגודל של תאים ביולוגיים - מאפשר לדמיין עתיד שבו מערכות מכניות אקטיביות יפעלו בתוך הגוף, ינועו בסביבות נוזליות מורכבות וישחררו תרופות באופן ממוקד, מבלי לפגוע ברקמות בריאות. בתחום הטכנולוגיה, היכולת לייצר המוני מכונות כאלה על שבב יחיד עשויה לאפשר מעבדות-על-שבב שבהן אלפי מנגנונים פועלים במקביל: מנתחים דגימות, מבצעים תגובות כימיות, או מרכיבים חומרים בדיוק חסר תקדים.
השימוש באור כמקור כוח הוא המפתח לכל זה. הוא מאפשר שליטה מרחוק, נקייה ומדויקת, ללא חוטים, סוללות או שדות פולשניים, ומתאים במיוחד לסביבות עדינות שבהן כל הפרעה עלולה לשנות את התוצאה. לאחר שלושה עשורים של קיפאון במזעור מכני, המחסום נשבר. לא מדובר רק במכונות קטנות יותר - אלא בדרך חדשה לגמרי לחשוב על מהי מכונה, כיצד היא נעה, ואילו עולמות היא יכולה לפתוח בקנה מידה שבו עד לאחרונה פעל רק הדמיון.
המחקר:
תגובות