החוקרים המבטיחים

רפואה:

התוכנה שתסייע לרופאים לאתר בעיות או פגמים בתפקוד

המחשב יזהה לבדו בעיה רפואית באמצעות סריקה תלת־ממדית

פרופ' רון קימל עשה את הפוסט־דוקטורט שלו באוניברסיטת ברקלי היוקרתית בארה"ב וכיהן כפרופסור באוניברסיטת סטנפורד היוקרתית לא פחות. פרט לשני תפקידים אלה התמקדה הקריירה שלו בטכניון בחיפה, שם סיים את התארים הראשון והשני ואת לימודי הדוקטורט. קימל היה גם שותף לכמה סטארט־אפים, לרבות קוויקסי, שגוגל רכשה ב־2010 תמורת כ־10 מיליון דולר, שם שימש כחלק מהוועדה המדעית המייעצת.

זה כמה שנים פרופ' קימל משכלל כלים חישוביים כדי לבחון צורות גיאומטריות תלת־ממדיות. בשנה האחרונה הצליחה המעבדה לעיבוד גיאומטרי של תמונות בטכניון, בראשותו, לרשום כמה הצלחות, ואלה מאפשרות לערוך ניתוח טוב ויעיל של סריקות צורות תלת־ממדיות.

צילום: אלעד גרשגורן

קימל מסביר כי כיום הרופא שבוחן את הסריקה מחליט אם יש בעיה או לא על סמך הידע והניסיון שצבר. הטכנולוגיה שפותחה בטכניון יכולה לקחת צורה תלת־ממדית סרוקה ולהשוות אותה למודל רצוי. למשל, ניתן להסתכל על סריקה של לב אנושי או מוח ולדעת על פי הצורה הגיאומטרית בלבד אם יש בעיה או פגם בתפקוד.

בעזרת הטכנולוגיה הזאת הצליחו לייצר מסכות אינהלציה טובות יותר לתינוקות בשיתוף פרופ' ישראל עמירב, מומחה לרפואת ריאות מבית החולים זיו בצפת. את הרעיון לפרויקט הגו פרופ' עמירב ושותפו אסף חלמיש. עד כה עוצבו המסכות לפעוטות בדרך של הקטנת מסכות הבוגרים, ולכן היתה בעיה של חוסר התאמה. לפרויקט נרתמו גם הדוקטורנט דן רביב (כיום חוקר כפוסט־דוקטורנט ב־MIT), ירון חונן ואלון זבירין, מהנדסים במעבדה לעיבוד גיאומטרי של תמונות מהטכניון.

הרעיון שבחנו החוקרים היה פשוט בעיקרו: ייצור מסכות שיתאימו לפני הפעוטות בצורה מיטבית. עמירב וחלמיש אספו מאות דוגמאות המאפיינות צורות פנים גיאומטריות של ילדים מגיל ינקות ועד גיל ארבע באמצעות סורקים תלת־ממדיים. מאות התצלומים סווגו לשלוש קבוצות אופייניות לפי שיטות חישוב מתחום הגיאומטריה המטרית. על בסיס חישובים אלה עוצבו המסכות החדשות, שמציעות התאמה כמעט מושלמת לפני התינוק.

תזונה:

קיבה מלאכותית שבודקת איך המזון מתעכל

המחקר שיעזור לייצר אוכל מותאם לכל אדם

בשנת 2010 חזר פרופ' אורי לזמס מפוסט־דוקטורט באוניברסיטת מסצ'וסטס בארה"ב לטכניון, כדי להקים מעבדה לחקר מזון שתספק כלים ותובנות לחברות המזון. מטרת המעבדה היא לספק ליצרני המזון כלים לייצור מזון בריא יותר.

לזמס, שנולד בקולומביה וגדל בנצרת עילית, אומר כי חזר ארצה מתוך ציונות וגעגועים למשפחה, ובשביל הסטודנטים, שאותם הוא מגדיר כ"זרוע המבצעת של המחקר המדעי". כיום לזמס הוא חבר סגל בטכניון, ולדבריו עתיד התעשייה הוא "מזון מותאם אישית" לפי מוצא, גיל, מגדר וכן הלאה. הוא רואה את המשימה הטכנולוגית בפיתוח מזון כאופטימיזציה: הרג חיידקים תוך שימור החלבונים.

אורי לזמס צילום: אלעד גרשגורן

חלק מהנחות היסוד של לזמס הן כי כדי להתמודד עם האתגרים של האכלת המיליארדים הרבים של האנשים שמאכלסים את העולם, נצטרך מזון מתועש. כלומר, להשקפתו, לא ניתן יהיה להסתמך רק על מזון טרי וטבעי כדי להזין את העולם כולו. לכן, קהל היעד הלא סמוי בעבודתו של לזמס הן חברות המזון המעובד, שאמורות לקחת את המסקנות שלו ולהפוך אותן למוצרי מזון טובים יותר למען כולנו.

המעבדה בראשותו של פרופ' לזמס בודקת תהליכים שעובר מזון מעובד בגוף האדם, מתוך גישה שלפיה יש לבדוק את המזון כמכלול, כלומר לבחון לא רק מה מתקלקל או מה מתפרק בצורה לא טובה, אלא גם את השינויים שעוברים על רכיבי המזון.

בשנה האחרונה רשמה המעבדה פריצת דרך בדיוק בתחום שעליו מדבר לזמס: הדוקטורנטית כרמית שני־לוי השלימה פיתוח של קיבות מלאכותיות, שמדמות קיבות של אנשים לפי קבוצות גיל. המערכת של שני־לוי מדמה קיבה של ילד, של מבוגר, של קשיש ושל תינוק - בשונה מהסטנדרט הנהוג כיום בבדיקות לפירוק המזון, שמתבצעות על מערכת שמדמה קיבה של אדם מבוגר שפועלת בצורה אופטימלית.

הבעיה בשיטת המחקר הנהוגה כיום היא שללקוחות אין "קיבה אופטימלית", ומזון שמתפרק היטב בקיבה נטולת בעיות עשוי להתפרק בצורה פחות טובה בקיבה של ילד או קשיש. עיקרון נוסף שעליו התבסס הפיתוח של המעבדה הוא שחלבונים שמתעכלים היטב אצל תינוקות עלולים לא להתעכל בצורה טובה אצל מבוגרים, ולהפך.

אצל קשישים, למשל, הקיבה המלאכותית אמורה להסביר תופעה שבה אנשים בגיל מבוגר אוכלים כמות רגילה של מזון, אך יורדים במשקל. אחת הסיבות לכך יכולה לנבוע מכך שפעילות הקיבה שלהם לא מצליחה להנגיש עבור גופם חומרים מזינים באוכל.

הפיתוח עשוי לאפשר לתעשייה לייצר מזון שמותאם לקשישים שיוכל לאפשר להם לא לאכול מעבר מכמות שלה הם זקוקים כדי לא לרדת במשקל.

חלק מהעבודה על הקיבה המלאכותית מחייבת ניסויים בבני אדם, במטרה לבדוק אם הקיבות המלאכותיות מדמות בצורה מדויקת קיבה אנושית במצב דומה.

הנדסה ביו–רפואית:

חלבונים מאצות יחזירו את הראייה גם לרשתית עיוורת

המקרן שמשקם את הרשתית

שי שהם צילום: אלעד גרשגורן

ב־2005 חזר שהם ללמד בטכניון. לאחרונה בחר בו הפורום הכלכלי העולמי לאחד מ־40 המדענים המבטיחים בעולם.

שהם עומד בראש צוות מחקר בפקולטה להנדסה ביו־רפואית בטכניון, שפיתח מערכת שמחזירה את חוש הראייה לרשתית עיוורת. צוות המחקר כולל את ליאור גולן, ד"ר נאירוז פרח, עדי שכטר, לימור צור, ד"ר ענבר ברוש וד"ר אינה ראוטסקי-גפן.

גם ברשתית שהפכה לעיוורת בגלל מחלה ניוונית יש תאים פעילים שיכולים לעבד אינפורמציה.

הבעיה העיקרית היא שהתאים שנפגעים מקבלים מידע אך לא מסוגלים לעבד אותו כיוון שאינם רגישים לאור. כדי להתגבר על כך החדירו החוקרים חלבונים המופקים מאצות לתאי הפענוח שברשתית. משום שעיבוד המידע צריך להתבצע במקום אחר פיתח הצוות מקרן הולוגרפי, שמאפשר לרשתית העיוורת לראות ברמת דיוק גבוהה.

המקרה הזה דומה למחשב שיש לו כל הכלים לעבד את האותות שמגיעים מהמקלדת, שלא פולטת אותות כלל. הפתרון של שהם הוא התממשקות ישירה למחשב ועקיפת המקלדת.

חינוך:

המחשב יזהה מתי תלמיד טעה בפתרון אבל למד את דרך החשיבה

בינה מלאכותית תסייע למורים לאתר בעיות אצל התלמידים

צילום: ישראל יוסף

ד"ר קובי גל הוא אחד מעשרה חוקרים צעירים שזכו לאחרונה בפרס קריל, שאותו מעניקה קרן וולף למי שנבחר למדען מוביל ולחבר סגל מצטיין שעדיין לא קיבל קביעות במוסד שבו הוא מועסק.

הפרויקט שזיכה אותו בהוקרה היה בנייתם של "סוכנים ממוחשבים" - אלגוריתמים שרצים בתוך מחשבים שיודעים לשתף פעולה עם בני אדם, ולזהות מהן הכוונות והמטרות של האנשים על סמך צפייה בפעולות שלהם.

גל נולד וגדל ברמת גן, התגייס לממר"ם, ועם שחרורו נרשם לתואר ראשון בפסיכולוגיה, מדעי המחשב וסטטיסטיקה בבר־אילן. בשנת 2000 קיבל מלגה מלאה למסלול ישיר לדוקטורט בהרווארד, ובחר לחזור לאוניברסיטת בן־גוריון בבאר שבע מטעמים אידיאולוגיים - אף שקיבל בחו"ל לא מעט הצעות מפתות.

ד"ר גל בונה מודלים של בינה מלאכותית עם יישומים שונים. אחד היישומים המעניינים הוא מעקב אחר תלמידים הלומדים בסביבות לימוד וירטואליות. מדובר בסביבות לימוד המדמות עבור התלמידים מעבדה (מדובר בעיקר בתוכנות ללימוד של מדעים מדויקים), שם הם יכולים לפתור בעיות באמצעות הדמיות של ניסויים אמפיריים. בכך מעבדות וירטואליות אלה מספקות חוויית למידה אישית, שבה התלמיד לומד לבדו בניסוי וטעייה.

במעבדה וירטואלית לכימיה הילדים יכולים לערבב בין חומרים, להפעיל מבער לטמפרטורה רצויה ולמדוד תגובות כימיות שנוצרות כתוצאה מהפעולות שלהם. מעבדה וירטואלית מעניקה חופש פעולה רב לתלמיד. חלק בלתי נפרד מחוויה זו כולל את האפשרות לניסוי וטעייה, שילוב פעילויות במקביל, משחק והתנסות.

אבל מעבדות וירטואליות עושות חיים קשים למורים, משום שאין דרך לדעת אם התלמיד אכן לומד או לא, מתי הוא מתקשה וכדומה – אלא אם המורה משגיח על התלמיד כל הזמן. מורה לא יכול להשגיח אישית על 40 תלמידים בכיתה, בוודאי במקומות שבהם המורה כלל לא נוכח פיזית.

המערכת של גל מציעה למורים כלי שיבחן בצורה מתמדת את פעילות התלמידים במעבדה הווירטואלית. התוכנה מתבססת על עקרונות בינה מלאכותית שתעקוב אחר תהליך הלמידה, שתבחן את אופן החשיבה של התלמיד ואת הדרך שלו לפתור את הבעיה המוצגת בפניו.

המערכת תאבחן מתי תלמיד מבצע טעויות שהוא יוכל ללמוד מהן ולהתקדם לפתרון נכון, או טעויות שלא יובילו לפתרון ורק ייצרו אצלו תסכול. המערכת יודעת להתריע בפני המורה על בעיות, לציין לשבח תלמידים שהפגינו חשיבה מקורית ודרכי פתרון שמעידות על ניתוח נכון של הבעיה, ומציגה בפני המורה עבור כל תלמיד את הדרך המלאה שלו לפתרון הבעיה.

בארה"ב ובישראל כבר משתמשים בטכנולוגיה במעבדות וירטואליות להוראת כימיה. מבחינת גל מדובר במערכת שמספקת למורה כלים נוספים בעבודתו עם התלמידים, ולא מחליפה אותו. לדבריו, מערכת הבינה המלאכותית גורמת למחשב לעבוד בשיתוף פעולה עם האדם, ולא מיועדת להחליף אותו.

אינטרנט:

לשנות את דעתם של מיליוני גולשים אנונימים במניפולציה פשוטה

התרגיל שחשף את הדרך להשפיע על חוכמת ההמונים של גולשי האינטרנט

ד"ר לב מוצ'ניק מבית הספר למינהל עסקים באוניברסיטה העברית עסק במחקר באוניברסיטת ניו יורק בפקולטה למינהל עסקים בשנים 2008–2012. הוא קיבל תואר דוקטור בפיזיקה מאוניברסיטת בר־אילן, כאשר תחום ההתמחות שלו הוא איסוף וניתוח מאגרי מידע גדולים המייצגים למעשה מערכות חברתיות גדולות, תוך שילוב מתודולוגיות ממדעי החברה ומפיזיקה.

התמחות זו הובילה אותו לבדוק את חוכמת ההמונים. בעבר כשרצינו לקבל החלטה בנושא שאנחנו לא יודעים עליו דבר, היינו מתייעצים עם חבר או איש מקצוע. היום אנחנו נכנסים לאינטרנט ומתייעצים עם מאות ואלפי גולשים אנונימים שאנחנו לא מכירים. ההנחה היא שחוכמת ההמונים, שקלול של כל הידע והחוכמה של כל הגולשים, ודאי תביא לנו את התוצאה הטובה ביותר.

מחקר משותף של ד"ר מוצ'ניק, פרופ' סינאן אראל מ־MIT ושון טיילור מאוניברסיטת ניו יורק ניסה ליצור מניפולציה במידע של מוח הכוורת, ולבדוק אם חוכמת ההמונים מצליחה להתמודד עם הטיה מכוונת.

צילום: עטא עוויסאת

החוקרים יצרו קשר עם אתר אינטרנט שמאפשר לגולשים לדרג טוקבקים (כלומר עד כמה הגולשים האחרים מסכימים לנאמר בטוקבק), ויצרו מערכת שבה שלוש קבוצות נבדקים. קבוצת הביקורת ראתה את הטוקבקים כפי שהיו רואים תמיד. קבוצת המניפולציה החיובית ראתה טוקבקים מסוימים עם ציון גבוה בנקודה אחת בלבד לעומת הציון האמיתי והקבוצה עם המניפולציה השלילית ראתה טוקבקים עם מינוס נקודה אחת לעומת הציון האמיתי.

מהתוצאות עולה כי מספיק שהציון היה גבוה בנקודה אחת בלבד כדי שהסבירות שהגולש יקליק גם הוא +1 על הטוקבק ויסכים איתו תגדל ב־32%. הסתברות זו יצרה תגובת שרשרת, שבסופה טוקבקים שקיבלו מניפולציה חיובית השיגו ציון גבוה ב־25% לעומת כאלה שלא קיבלו מניפולציה. במילים אחרות: אנשים נוטים להסכים עם דעות שאנשים אחרים מסכימים להן. חוכמת ההמונים לא תמיד רציונלית וחכמה, ועלולה להיות מושפעת מתופעת עדר.

תופעה מפתיעה לא פחות היא שהמניפולציה השלילית לא גרמה לגל שלילי נגד הטוקבק. כאן ניתן לתת ציון חיובי לחוכמת ההמונים, שהצליחה לאזן את השליליות ולהפעיל חשיבה ביקורתית.

החוקרים בחרו לבדוק מניפולציה קטנה, שכל אחד יכול לבצע בקלות, וידוע שבעלי אינטרס כבר מבצעים אותה כיום.

רציונליות:

איך התאהבות פוגעת באיכות ההחלטות שלנו

השפעת הורמונים על ההתנהגות שלנו

פרופ' איל וינטר הוא בעל תואר ראשון במתמטיקה, סטטיסטיקה וכלכלה ודוקטורט בתורת המשחקים, שהחליט לבדוק את ההשפעה של התאהבות על קבלת ההחלטות שלנו. וינטר, העומד בראשות המרכז לחקר רציונליות באוניברסיטה העברית, תלמידתו עינב הרט וד"ר שלמה ישראל מאוניברסיטת דיוק שבארה"ב, הוכיחו ששילוב בין רגשות לסיטואציה שבה נדרשת החלטה רציונלית הוא לא שילוב מנצח.

צילום: עמית שעל

מחצית מהנסיינים במחקר שאפו תרסיס שלא הכיל דבר, ומחציתם שאפו תרסיס המכיל אוקסיטוצין שנקרא גם "הורמון האהבה". מדובר בהורמון שמופרש בגוף בזמן התאהבות, בזמן אורגזמה וכן בזמן לידה, הגורם להתקרבות רגשית. לאחר מכן הנסיינים התבקשו לשחק משחק שבו שני משתתפים יכולים להחליט אם לחלוק סכום כסף או לנסות לגנוב אותו לעצמם.

למשתתפים במשחק ניתנו 30 שניות לשוחח ולהחליט מה יעשה מי שעומד מולם. מי ששאפו את תרסיס הדמה הצליחו לזהות מתי מתכוונים לרמות אותם מעבר להסתברות של ניחוש, ומי ששאפו את ההורמון לא הצליחו לעשות כן והיו פגיעים יותר לרמאויות.

אנרגיה:

הטכנולוגיה שתאפשר ייצור דלק נקי מאנרגיה סולארית

לייצר דלק בלי שימוש בחומרים כימיים

פרופ' דוד מילשטיין, זוכה פרס ישראל, קיבל תואר דוקטור מהאוניברסיטה העברית ב־1976 ועובד גם כיום על מחקרים פורצי דרך. הוא ערך מחקר פוסט־דוקטורט באוניברסיטת איווה ובאוניברסיטת קולורדו. ב־1987 הצטרף לסגל מכון ויצמן למדע, בשנת 1996 התמנה לראש המחלקה לכימיה אורגנית ובשנת 2000 ייסד את מרכז קימל לעיצוב מולקולרי, שבראשו הוא עומד עד היום.

פרופ' מילשטיין עובד על תהליך שנשמע כמעט כמו מדע בדיוני - ייצור דלק נקי ממים. מילשטיין מתבסס על תגליות חדשות שלו ושל הצוות שלו הנוגעות להפרדת המים לחומרי הבסיס המרכיבים אותם (חמצן ומימן) באמצעות אנרגיית שמש. המדענים הצליחו להוכיח כי במהלך ההפרדה מתקיימת התלכדות בין אטומי חמצן בצורה שנחשבה לפני כן לבלתי סבירה . הממצאים מאפשרים לקיים את התהליך הזה ביציבות וביעילות רבות יותר.

עד כה הצליח צוות החוקרים בראשות פרופ' מילשטיין למצוא מנגנון בן שלושה שלבים ליצירת מימן וחמצן ממים, המבוסס על שימוש באור שמש ואינו מחייב שימוש בחומרים כימיים מתכלים.

עכשיו מתכננים המדענים לאחד את שלושת השלבים לרצף אחד וליצור מערכת יעילה, שתקדם את חוקרי האנרגיה צעד נוסף וחשוב בדרכם להשגת המטרה.

אנרגיה:

פיתוח חומרים בעלי תכונות של צמחים

החומר שייצר אנרגיה מהשמש וגם יאגור אותה

ד"ר בוריס ריבצ'ינסקי נולד באוקראינה וקיבל תואר ראשון מאוניברסיטת קייב ב־1992. באותה שנה הוא עלה לארץ, וב־1993 החל ללמוד במכון ויצמן. לאחר שירות צבאי בחיל הרפואה הוא השלים את לימודיו במכון בהצטיינות וקיבל תואר דוקטור. לאחר פוסט־דוקטורט באוניברסיטת נורת'ווסטרן שבארה"ב, הוא הצטרף למחלקה לכימיה אורגנית במכון ויצמן כחוקר בכיר.

המחקר של ריבצ'ינסקי מתמקד בננוטכנולוגיה, מדע שעוסק בניתוח החומר ברמה מיקרוסקופית ומאפשר לייצר לו תכונות חדשות. הפיתוחים של ריבצ'ינסקי עוסקים בניסיונות לייצר חומר שיהיה דומה לצמח מבחינת המבנה שלו, ויוכל לייצר אנרגיה מקרני השמש ולאגור אותה.

ריבצ'ינסקי שואף לבנות מערכות פוטוסינתטיות מלאכותיות מחומרים אורגניים זולים ונוחים, שאחת האפשרויות שלהם היא ייצור דלקים באמצעותם. בין היתר, מדובר בהפקת מימן ממים או בהפקת מתנול ממים ומפחמן דו־חמצני. לדברי ריבצ'ינסקי, הפתרון טמון ביכולת שלנו ליצור מערכות מורכבות שיאפשרו לנו לשלוט ביחסי הגומלין שלהן עם אור, וכן בפעילות החשמלית והכימית שלהן.

אם ריבצ'ינסקי ישלים את הפיתוח, ייתכן שיום אחד המכונית החשמלית תייצר לעצמה אנרגיה אך ורק בגלל החשיפה לשמש.

לקראת פתיחת שנת הלימודים פנינו אל האוניברסיטאות הגדולות כדי שאלה יחשפו את המחקרים והחוקרים המעניינים ביותר של שנת הלימודים החולפת. אלה שהצליחו לקדם נושאי מחקר מדעיים פורצי דרך, וגם אלה שהצליחו לבדוק נושאים בעלי חשיבות חברתית וכלכלית.