הכירו עשרה חוקרים צעירים אשר חידושיהם עוד ישנו את העולם בו אנו חיים
אדם כהן, בן 33, אוניברסיטת הרווארד – מאיר נוירונים כדי לראות כיצד הם נורים
נערים אחרים בני 13 נוהגים לבקש כסף מזומן כמתנת בר המצווה שלהם. אדם כהן ביקש משקף תנודות. זמן קצר לאחר מכן הוא הבהיל את הוריו בשעה ששוטט בחדר האורחים כאשר מכשיר א.ק.ג ביתי מוצמד לחזהו באמצעות נייר דבק. "הם חששו שאני אחשמל את עצמי", כהן נזכר, "אבל חוץ מזה, הם תמכו".
כהן, כיום פרופסור לכימיה בהרווארד, עדיין מוקסם מאותות חשמליים – בעיקר, לאחר שהוא למד כיצד הם מתפשטים במוח. חוקרים נוהגים להשתיל אלקטרודות במוח כדי למדוד פעילות עצבית, אבל בגישה הזאת ניתן לאתר פעילות רק בכמה תאים בכל זמן נתון. כהן רצה להנדס נוירונים שלמים כדי שיזהרו כשהם נורים. כדי לעשות את זה, הוא בדק חלבון שמיקרוב החי בים המלח משתמש בו כדי להמיר אור שמש לאלקטרונים.
אולי, הוא חשב, זה יוכל לפעול הפוך, ולהפוך פולסים חשמליים להבזקי אור. אחד מהפוסט דוקטורנטים שלו החדיר את הגן אל תוך וירוס והדביק נוירונים מתורבתים של חולדה כדי לגרום להם לייצר את החלבון. באחד הלילות של השנה שעברה נשאו מאמציהם פרי: בזמן שהוזרם באלקטרודות זרם חשמלי במטרה להשרות דחף עצבי, הבהבו תאי המוח המבודדים כמו אורות חג מולד זעירים.
כשכהן יחזק את האות של החלבון, כך שהוא יעבוד באשכולות של תאים גדולים יותר, יוכלו חוקרי מוח להשתמש בשיטה כדי לחקור מעגלים עצביים מורכבים ולבחון כיצד תרופות שונות משפיעות על המוח. אבל כהן – שיש לו רשימה מתעדכנת של רעיונות לפרויקטים מאז שהוא בן עשר – מקווה לתקוף גם בעיות אחרות. "אם אני אוכל לתרום במשהו לאספקת האנרגיה או לרגולציה של הסביבה שלנו, זה יהיה נהדר", הוא אומר. "יש לי כמה תוכניות מעניינות".
כתבה: מארה גרונבאום.
דווה רמנאן, בן 33, אוניברסיטת קליפורניה באירווין – מלמד מחשבים לזהות בני אדם
דווה רמנאן לוחץ על כפתור שעל ה-MacBook Air שלו וסרטון וידאו מתחיל להתנגן: מישל קוואן מחליקה על הקרח באולימפיאדת 1998 בנגאנו. לידו, תוכנת מחשב מרנדרת את מה שהיא "רואה" בסרטון: את ראשה של קוואן, את רגליה, גופה, זרועותיה וידיה, כולם מובדלים על ידי צבעים שונים. רמנאן, מדען מחשבים באוניברסיטת קליפורניה באירווין, מלמד מחשבים לזהות בני אדם תלת-ממדיים בצילומים דו-ממדיים.
תוכנות זיהוי פנים, אשר מתמקדות בקונפיגורציית העיניים-אף-פה הקלאסיות, נמצאות בשימוש מזה שנים. אבל זיהוי גוף אנושי – כל גוף אנושי – הוא הרבה יותר מאתגר עבור מחשבים בגלל המגוון האין-סופי של תנוחות, זוויות, גדלים ותלבושות. רוב החוקרים יזינו את התוכנה במיליוני תמונות כדי שהיא תזכור אותם, וכך יבנו מסד נתונים אדיר של אנשים. אבל רמנאן, במקום זה, אימן את תוכנת המחשב שלו לזהות חלקי גוף ולהתאים אותם לתבנית אנושית גמישה. "את יכולה לחשוב על זה כעל גישת הפרד ומשול", הוא אומר. התוכנה עוברת על רשימה: ידיים, גוף רגליים? כן. ולכן, בן אדם. השיטה של רמנאן היא מהירה בהרבה ומשתמשת בפחות כוח עיבוד מהשיטה הנהוגה.
| רמנאן רואה את האפשרות שהאלגורתמים מאתרי-האדם שלו ישמשו במכוניות אוטונומיות |
רמנאן רואה שימושים פוטנציאליים רבים לאלגריתמים מזהי האדם שלו, כולל מערכות זיהוי הולכי רגל מהירות ומדויקות במכוניות אוטונומיות ומערכות משחקי וידאו שעוקבות אחרי תנועות גוף מלא. בינתיים, הוא מתמקד בלימוד מחשבים כיצד לקרוא ולהבין בקונטקסט – במילים אחרות, לחשוב. "מה אם את באמת רוצה להבין מה אדם עושה", רמנאן שואל. "לא רק [להבין] 'הנה הזרוע', אלא 'האדם הזה ממתין לאוטובוס'".
אם הפרויקטים העתידיים שלו יצליחו, יכולת שיקול הדעת של מחשבים תמשיך להתקרב לזו של המוח האנושי עצמו.
כתבה: אליזבת סבובודה.
כריסטי היינס, בת 35, אוניברסיטת מינסוטה – חושפת את סודות מערכת קרישת הדם של הגוף
תאי דם אנושיים מובנים היטב למדיי. זה לא נכון כשמדובר בטסיות דם, הדיסקות חסרות הגרעין הזעירות שנעות במחזור הדם ומשחקות תפקיד מכריע בוויסות קרישה. גודלן של טסיות דם הוא פחות מחמישית מגודלם של תאי דם אדום טיפוסיים, ועד שכריסטי היינס – כימאית באוניברסיטת מינסוטה – התחילה לחקור אותם, לחוקרים לא הייתה דרך לראות מה קורה בתוכן.
המעבדה של היינס היא הראשונה שהצליחה לבודד בצורה מוצלחת טסית דם אחת מתחת למיקרוסקופ, להחדיר לתוכה אלקטרודה זעירה, ולמדוד את מולקולות השליח המשוחררות כשמעוררים את התא באופן כימי.
הטכניקה הזאת נתנה להיינס את המבט הראשון על האופן בו טסיות דם מתקשרות זו עם זו וכיצד מדענים עשויים לתפעל אותן כדי לשלוט בהיווצרות קרישי דם, לפתח טיפולים תרופתיים חדשים להפרעות טסיות, ואולי אפילו לעצור את התפשטותם של תאי גידולים. "הרבה אנשים חושבים שטסיות הדם מתפקדות כמו סוס טרויאני", אומרת היינס. "הן נעות במחזור הדם שלך, מסוות את תא הסרטן והגוף לא מזהה אותו".
נוסף על מחקר טסיות דם, היינס מנסה לבנות מודל מערכת חיסונית על שבב שיבהיר כיצד תאי מערכת חיסונית מתקשרים זה עם זה. הצלחתה, אומר המנחה שלה לדוקטורט, ריצ'ארד פ. ואן דוין מאוניברסיטת נורת'ווסטרן, היא תוצאה של תכנון הניסויים הקפדני והיצירתי שלה. "יש לה עבר אדיר של יכולת לגרום לניסויים לעבוד בניסיון הראשון".
כתבה: קאלי תומפסון.
אנזה סלוסר, בן 34, מעבדת ברוקהייבן הלאומית – משמעות המפות בקצה היקום
החלק הקדום ביותר של היקום, במרחק יותר מעשרה מיליארד שנות אור, מלא בקוואזרים מאירים חזק במיוחד ומצבורים מפוזרים של גז מימן. אנזה סלוסר, קוסמולוג במעבדת ברוקהייבן הלאומית בניו-יורק, רוצה למפות את המרחב הזה בתלת-ממד.
סלוסר מחפש, מאתר וממפה תבניות בתנודות הצפיפות התקופתיות של חומר שהתמזג אחרי המפץ הגדול. אחרים מיפו את המבנה הזה לתקופה של עד לפני שישה מיליארד שנות אור באמצעות צפייה על האופן בו הגלקסיות מתאגדות, אבל בקצוות המרוחקים של היקום, הגלקסיות עמומות מכדי שאפשר יהיה לראות אותן.
כדי להתגבר על האתגר הזה, סלוסר משתמש בטכניקה חדשה שרבים היו סקפטיים שהיא תעבוד: במקום למפות אור הנראה לעין האנושית, הוא ושותפיו מתבוננים בצללים שענני גז מסיביים יוצרים כשהם חוסמים אור מקוואזרים מרוחקים.
בחודשים הראשונים, נראו הנתונים מבולגנים מכדי שניתן יהיה למפות אותם, וסלוסר נכנס לתחושה מתמשכת של חשש עמוק שהוא עומד להיכשל, לאחר הסבבים הראשונים של הכיוונונים המתמטיים שנועדו למשוך החוצה אות ממשי. אבל מרגע שהוא הצליח לעשות את זה, אפשרו לסלוסר נתונים מ-14,000 קוואזרים שהתקבלו מטלסקופ ה-BOSS בניו-מקסיקו לייצר את המפה הגדולה ביותר של מבנה היקום העתיק – בין עשרה ל-12 מיליארד שנות אור – אשר נותנת למדענים תובנה על האופן בו היקום נראה זמן קצר מאוד לאחר היווצרותו.
"אני חשבתי, טוב, כך היקום נראה בעצם ממרחק גדול", אומר סלוסר. "הרגשתי כל כך טוב שפשוט פתחתי בירה והפסקתי לעבוד את שארית היום".
כתבה: מארה גרונבאום.
גרג נילסון, בן 38, מעבדות סנדיה הלאומיות – מכווץ תאים סולאריים לגודל של נצנצים
גרג נילסון דוחף צנצנת קטנה מלאה באלכוהול על שולחן העבודה שלו במעבדות סנדיה בניו-מקסיקו. בתוך הצנצנת צפים תאים סולאריים מבריקים בגודל של נצנצים. "אם יהיו לך פאנלים כאלה על הגג של חנות וואלמרט, תקבל פי שניים כוח [מתאים פוטו-וולטאים קונבנציונליים] והעלויות שלך ירדו לחצי", הוא אומר.
בשש השנים האחרונות, עבד נילסון על הקטנה דרמטית של תאים סולאריים כדי להפוך אותם לעמידים, יעילים וזולים יותר.
| היה זה מספר שגוי שהוביל את נילסון לתחום האנרגיה הסולארית, אי שם בשנת 2005 | |
ב-2004, כשנילסון, יליד מדינת יוטה, הגיע לסנדיה, הוא היה אחד החוקרים המובילים בעולם למערכות אופטיות מיקרו-אלקטרו-מכניות – טכנולוגיה שמשתמשת באור כדי להפעיל מכונות זעירות. זה היה טעות במספר שהוביל אותו ב-2005 לתחום האנרגיה הסולארית.
אחד מחוקרי האנרגיה הסולארית המובילים של סנדיה, ויפין גופטה, התקשר בטעות למשרד של נילסון. עד מהרה, שני החלו המדענים לשוחח. "גיליתי שחומרי סיליקון מהווים בין 40 ל-50 אחוז מהעלויות הכוללות של פאנלים סולאריים", אומר נילסון. על ידי שימוש בטכניקות מיקרו-ייצור שנלקחו מתעשיית האלקטרוניקה, הוא גילה שהוא יכול לבנות תאים סולאריים שמשתמשים במאית הסיליקון כדי לייצר את אותה כמות חשמל.
בימים אלה, נילסון מוביל צוות של 30 חוקרים העובדים על נצנצים סולאריים, אשר יוכלו לשפר באופן משמעותי את יעילות הגמישות של תאים פוטו-וולטאים. נילסון גם מנסה לשלב את הנצנצים למוצרי חשמל צרכניים. "[הם] יוכלו לספק כח בכל מקום בו צריך אותו", הוא אומר, "כל עוד אתה לא חי בתוך מערה בלי אורות".
כתב: אייב סטריפ.
אנדריאה תומאז, בת 36, ג'ורג'יה טק – מלמדת רובוטים ללמוד מבני אדם
סיימון, הרובוט, החל לאחרונה ללמוד משהו חדש: להעביר קובייה אדומה מיד אחת אל תוך כוס קפה המוחזקת בידו השנייה. אבל כמו תלמיד גן חובה להוט, הוא רוצה לדעת יותר. "אני יכול להתחיל כאן?" הוא שואל, ומרים את הקובייה גבוה באוויר. לסיימון יש שתי זרועות, שמונה אצבעות, עיניי איילה וקול מונוטוני. עם כל שאלה ותשובה, הוא עושה את מה שהרובוטיקאית אנדריאה תומאז מכנה "קילוף חלל ההיפותזי"; הוא פוסל מידע שאינו חיוני.
"הרעיון הוא שאתה אומר לו משהו, הוא שואל כמה שאלות, אתה מספק כמה דוגמאות, ואז הוא בונה מודל", אומרת תומאז. אם החלפת הדברים מתפתחת בצורה חלקה, סיימון יתחיל בתוך זמן קצר לקפל את הכביסה שלך.
| 20 שאלות: צורה אחת לסייע ללימוד, גילתה אנדריאה תומאז, היא להפוך את סימון הרובוט לאנושי יותר. כשסיימון שואל יותר מידיי שאלות, מפריע, או עוצר במבוכה, אומרת תומאז, "יש אנשים שמתעצבנים ומפסיקים לענות לו על השאלות" | |
על ידי שימוש בסיימון בתור התלמיד שלה, תומאז מגדירה מחדש כיצד רובוטים ובני אדם מגיבים זה לזה. לראייתה, בעתיד כל "משתמש נאיבי" (או אדם שאינו מתכנת) יוכל לרכוש רובוט, לקחת אותו הביתה ולהורות לו לעשות כמעט כל דבר. אבל כדי שזה יעבוד, רובוטים צריכים לחשוב כמו המשתמשים הנאיביים. לכן תומאז מזמינה אנשים מהרחוב כדי ללמד את סיימון במעבדה שלה בג'ורג'יה טק.
שיעורים כוללים כל דבר החל מפינוי שולחן האוכל לאחר הארוחה ועד למיון חפצים לפי צבעים. בהתבסס על התוצאות, תומאז מכווננת את האלגוריתמים של סיימון כדי להפוך אותו למתקשר ותלמיד יעיל יותר.
עם מספר גדל של רובוטים המתפקדים במערכות הבריאות ועם ההבטחה שהם יום אחד יסייעו לזקנים ולנכים, ההשלכות של רובוטים שכל אחד יכול לאמן, בכל תנאי שטח, הן אדירות. "כל אדם הוא שונה, כל בית הוא שונה, כל משרד, כל בית חולים", אומרת תומאז. "אני רוצה שאנשים יוכלו להגיד 'רובוט, ככה הדברים הולכים לקרות כאן'".
כתב: פול קווינטה.
דון דאגלס, בן 31, אוניברסיטת קליפורניה – סן פרנסיסקו – מתכנת ננו-בוטים של DNA לקטול סרטן
שון דאגלס בנה מכוניות ומטוסי שלט רחוק עוד כשהיה ילד, על יד שימוש ביכולות שהוא רכש מאביו הטכנאי. עשרים שנה מאוחר יותר, הוא עדיין מרכיב מכונות – רק שעכשיו הם מיליארדית הגודל, עשויים מ-DNA ומתוכננים לקטול תאי סרטן.
מעבדות אחרות עבדו עם DNA כדי לבנות צורות ייחודיות – תהליך המוכר בשפת הרחוב כאוריגמי DNA – אבל רובן יצרו חפצים לא פונקציונליים. באוניברסיטת קליפורניה בסן פרנסיסקו, דאגלס מקפל את האוריגמי שלו לביצוע משימה. "הוא הראשון שהצליח להגשים את החלום לבנות מיכל שבאמת ניתן לתכנות להעברת תרופות לתאים בצורה ממוקדת", אומר פול רותמונד, מהנדס ביוכימי במכון הטכנולוגי של קליפורניה.
הננו-מכונה של דאגלס נראית כמו צדפה, שני חצאיה מחוברים יחדיו באמצעות שני מערכים של DNA דו-גדילי שזורים ותוכו מלא בנוגדנים או מולקולות תרופה. כשה-DNA נקשר לחלבונים על תאי מטרה, כמו תאי סרטן, שני הדו-גדילים מתנתקים והצדפה נפתחת כדי לשחרר את מטענה. טיפול תרופתי ממוקד שכזה ידרוש מינונים נמוכים יותר של כימיקלים קוטלי מחלות – ובכך ייצר פחות תופעות לוואי לא נעימות.
דאגלס מקווה שננו-טכנולוגיה תמשוך אליה דורות חדשים של יוצרים צעירים. "אני רוצה שתלמידי מכללה יבואו עם רעיונות חדשים ויצרו כל מיני דברים מלהיבים", הוא אומר. בשנה שעברה, הוא השיק את BioMod, תחרות בה סטודנטים בונים ננו-מכונות משלהם. עד כה נרשמו 25 צוותים לתחרות.
כתבה: לורן אארונסון.
מוחמד אל-נגאר, בן 32, אוניברסיטת סאות'רן קליפורניה – מתניע חיידקים לבנות מוליכים למחצה
"כל דבר שאני עושה קשור למציאת משהו שמיקרובים יכולים לעשות ואנחנו לא, ואז ללמוד על הדרך בה הם עושים את זה", אומר מוחמד אל-נגאר תוך שהוא מציג תמונות של חיידקים אנארוביים על המחשב שלו באוניברסיטת סאות'רן קליפורניה. סוג החיידק הזה נפוץ בצורה מדהימה, הוא אומר. "אם את חופרת כמה סנטימטרים באדמת הגינה שלך, את תמצאי אותם באופן ודאי".
מדענים יודעים מזה עשרות שנים, שחיידקים אנארוביים מהסוגים המצויים בגינות יכולים להעביר אלקטרונים לסלע מוצק, ושתוצאת ההעברה הזאת היא מטען חשמלי זעיר. אבל כיצד בדיוק הם עושים את זה לא ידעו בברור עד לפני שלוש שנים, כשאל-נגאר גילה בדיוק כיצד החיידקים מגדלים ננו-חוטי חלבון כדי להעביר אלקטרונים אל הסביבה שלהם. "זוהי תכונה שאנחנו מכירים מחוטי הנחושת בבתים שלנו", אומר אל-נגאר. "אבל זה די יוצא דופן שמולקולה ביולוגית תעשה את זה".
המעבדה של אל-נגאר מנסה כעת לרתום את המטבוליזם של החיידקים כדי לספק כוח למכשירים חשמליים ולבנות ננו-מבנים חדשים. הם כבר הצליחו להתחבר אל היכולת של החיידקים להשתמש באלקטרונים מארסן כמו גם מגופרית כדי לייצר מוליכים-למחצה ארסן-גופרית פרימיטיביים.
המטרה הבאה היא להשתמש במטבוליזם של החיידקים כדי לבנות מוליכים-למחצה עבור טכנולוגיות אנרגיה נקייה כמו תאים סולאריים. אבל אלה הם עדיין החיידקים עצמם שמקסימים את אל-נגאר. "מה שמלהיב אותי אפילו יותר מהיישומים", הוא אומר, "זה הרעיון הבסיסי שכמה מהאורגניזמים הקדומים ביותר על כדור הארץ גילו טריקים אפקטיביים להעברת אלקטרונים הרבה לפני שאנחנו אפילו הופענו".
כתבה: קאלי תומפסון.
איידוגן אוזקן, בן 34, אוניברסיטת קליפורניה – לוס אנג'לס – הופך טלפונים חכמים למכשירים רפואיים
חצי תריסר גאדג'טים מפלסטיק בגודל כף יד שוכבים פזורים על השולחן במשרדו של איידוגן אוזקן ב-UCLA. כל מכשיר הוא סוג שונה של כלי איבחון רפואי זול. כמה מהם מכילים מיקרוסקופ ללא עדשה שאוזקן המציא. וכולם מתסמכים על הכוח של טלפון סלולרי. "אם מחברים יחד את כל הרכיבים בגב של טלפון סלולרי – אלקטרוניקה, אופטיקה, תוכנה, קישוריות – הוא יכיל הבטחה אדירה לשימוש כפלטפורמה", הוא אומר.
אוזקן, מהנדס חשמל, גדל בטורקיה, שם הוא ראה שרפואה מתקדמת לפעמים אינה מגיעה אל האיזורים הכפריים של המדינה. בחלקים רבים של העולם, מחלות אפילו אינן מאובחנות. המכשירים הרפואיים של אוזקן יוכלו לפתור את הבעיה הזאת.
| כל מכשיר הוא כלי איבחון רפואי, והם כולם מסתמכים על כוחו של טלפון סלולרי |
לדוגמה, עובד בריאות באיזור כפרי יוכל לטפטף דם על שיקופית ולטעון אותה אל תוך המיקרוסקופ הטלפוני של אוזקן. המצלמה של הטלפון מצלמת תמונה של הדגימה אשר משמשת לקביעת האבחון. מכשיר נוסף של אוזקן קורא את תוצאות מבחני האבחון המהירים, ואפליקציה מתרגמת אותן כמעט באופן מיידי.
המידע לא רק יהיה שימושי למטופלים אינדיבידואליים. אוזקן פיתח גם ממשק Google Maps כדי למפות תוצאות בדיקות, אשר בהם ניתן יהיה להשתמש כדי לעקוב אחר ההתפשטות הגאוגרפית של מחלות מדבקות. "זה יתן לנו מידע עשיר שיאפשר לנו להבין דברים שלא הבנו עד כה", הוא אומר.
כתבה: קאלי תומפסון.
אדווין אולסון, בן 35, אוניברסיטת מישיגן – יוצר צבא רובוטים אוטונומיים
במעבדה גדולה ושטופת שמש באוניברסיטת מישיגן, יושב אדווין אולסון מוקף בצבא הרובוטים שלו. ברוב הימים, 16 כלי השטח הקומפקטיים שלו, כמו קופסאות לחם מתגלגלות עם בר-קודים, נחים על מדפי פלדה. אבל בלחיצת כפתור, אולסון יכול להפוך אותם לצוות סיור איסוף מודיעין שממפה אתר באופן אוטונומי ומזהה פריטים בעלי עניין, בין אם קורבנות רעשי אדמה, מטרות צבאיות או מטעני צד.
"בהשוואה לאדם, הרובוט הבודד הוא מחפש ומבצע החלטות נוראי", אומר אולסון. "כשיש לך משימה מורכבת, הדרך היחידה בה רובוטים ינצחו היא אם אתה יכול לגרום לרבים מהם לעבוד ביחד".
בשונה ממערכות נהירה או נחילים, המערכת של אולסון משתמשת בגישת סוכנים-מרובים. לכל רובוט יש מצלמה ומד טווח לייזר, בהם הוא משתמש כדי ליצור "מפות זעירות" תלת-ממדיות של הסביבה שלו. הוא שולח באמצעות רדיו את המפות האלה לתחנת בקרת קרקע, שם אלגוריתם תופר אותם יחד למפת על. אז, אלגוריתם נוסף מחלק משימות מטרה לרובוטים האינדיבידואליים – לסרוק אזור, לפרוק פצצה. חלק אחר חלק הרובוטים משלימים את המשימה שלהם.
ב-2010 זכה אולסון ב-MAGIC, תחרות רובוטים אוטונומיים, כשהרובוטים שלו זיהו שמונה פצצות דמה. עכשיו הוא עובד עם משרד התחבורה של ארצות הברית. החיישנים שלו, המורכבים על כלי פיקוח מסילות, יסרקו צמתי מסילות רכבת כדי לאתר חסימות ולהתריע על בעיות לפני שהן גורמות להרס.
כתב: טום קליינס.
עוד על חידושים בגליון דצמבר של popular science ישראל – למבצע היכרות מיוחד לגולשי HWzone.co.il
