לך אל הנמלה: נפלאות הטבע לטובת האנושות
שנת החורף של הדובים כמתכון לטיסה למאדים. חגב שיישא מצלמה זעירה. הנמלים המתריעות מפני אסון סביבתי. וחיקוי התכנון האסטרטגי של להקות העורבים. אלכס דורון בודק עם פרופ' דני וייס, האם בקרוב גם נבין את שפת בע"ח
היעד הבא בכיבוש החלל הוא נחיתת האדם במאדים. ההערכות האופטימיות מבשרות לנו שזה עשוי לקרות עד 2020. הפסימיים מרחיקים עד אמצע שנות ה-40 של המאה הנוכחית. לצד ארה"ב ורוסיה, המתחרות הוותיקות, ישנה גם המעצמה שמאיימת על ההגמוניה, סין. לאמריקאים הניסיון העשיר ביותר בחלל והיכולות המוכחות, אבל כרגע אין להם כסף. גם מצב הכלכלה ברוסיה, הראשונה ששלחה אדם לחלל - יורי גגארין האגדי - לא מזהיר במיוחד. אולי יהיו אלה דווקא הסינים בזכות הררי הכסף שבידיהם, הנחישות והשאפתנות שמרקיעה שחקים. עובדה: סין כבר הכריזה שתציב על מאדים "התנחלות קבע" בשנת 2059.
- בואו להיות חברים של nrg ירוק גם בפייסבוק
ההכנות למרוץ למאדים, שיהיו כרוכות במאות מיליארדי דולרים, עדיין בשלבי בדיקות ההיתכנות ההנדסיות הראשוניות. המשמעות: חישובים מתמטיים מסובכים, הרצת סימולציות מחשב ואינספור מחקרי מעבדה. לאחרונה הסתיים במוסקבה הניסוי הגדול ביותר בנושא. קבוצת אנשים נבחרת, אסטרונאוטים וקוסמונאוטים פוטנציאלים, הסתגרו במשך 500 יום במתקן מנותק מהעולם שדימה את תנאי המאדים. במסגרת הניסוי אפילו סומנו אתרי הנחיתה המועדפים על הכוכב הפלאי. בסיעור המוחות נוטלים חלק גם מאות צוותי מדענים, וכל אחד תורם את חלקו הקטן לתוכניות, בדומה להרכבת פאזל.
אחת הבעיות הקשות בטיסה המיועדת היא משך הזמן שישהו בו האסטרונאוטים בדרך לכוכב, 214 יום, כ-7 חודשים. אם יפותח מנוע רקטי חדיש יותר, אשר מונע בדלק גרעיני, ייתכן שמשך הטיסה יתקצר ל-4 חודשים. לשם השוואה: הטיסה לירח בשנת 1969, שבה הונחת האדם הראשון על קרקעו הסלעית של שכננו, נמשכה 3 ימים ו-3:49 שעות.
לצורך כך מתבצע במכון המחקר לביולוגיה ארקטית באלסקה מחקר על דובים שחורים, שבמסגרתו ישנו ניסיון לפענח את סוד יכולתם לשקוע מדי שנה בשנה בשנת חורף בת 7 חודשים. בפרק הזמן הזה הם אינם אוכלים ושותים. כשמגיע מועד היקיצה, בדיוק של שעון מעולה, הם מתעוררים ומצבם הפיזי זהה לזה שהיו בו לפני שנרדמו.
המחקר גילה כי קצב פעימות הלב של דב שחור השוקע בשנת החורף יורד ל-14 בדקה. הדבר מאט את חילוף החומרים בגופו ב-75$ (ביחס לקצב הרגיל) ומאפשר לו להישאר בריא לאורך תקופה כה ממושכת של חוסר פעילות מוחלט. החוקרים מנסים עתה לפתח שיטה שתאפשר לבני האדם לחקות את הדובים השחורים מאלסקה. לאחר אימון מתאים הם פשוט ישקעו במלאכותיות במעין שנת חורף ממושכת. עד היום בוצעו כמה מחקרים העוסקים בשנת החורף של בעלי חיים כמו עכברים מזנים שונים וקיפודים, אבל המחקר בדובים הוא הראשון המתמקד ביונק גדול במטרה מוצהרת לייעד את ממצאיו ואת מסקנותיו לתוכנית החלל הנועזת. ניתן להסיק שמדובר במחקר רציני מפרסום פרטיו בכתב העת המדעי "סיינס" ומהצגתם בכנס החברה האמריקאית לקידום המדע.
המדענים פונים כיום יותר ויותר לעולם החי כדי ללמוד ממנו צורות התנהגות ייחודיות ולא רק כדי להגיע למאדים. זה נכון שבתנ"ך נכתב "מותר האדם מן הבהמה", אבל יותר ויותר מחקרים ושימושים מגלים שיש לנו הרבה מה ללמוד מבעלי החיים. הטכניון בחיפה, מוסד אקדמי זולל פרסי נובל, הקים עלפי רוח זו מכון ללמידה מהטבע.
המכון פועל במסגרת הפקולטה להנדסה אווירונאוטית וחלל, ובראשו עומד פרופ' דני וייס (68), שלא מכבר מונה למדען הראשי במשרד המדע. פרופ' וייס הוא ראש התוכנית הרב-תחומית בטכניון לתכנון ובנייה של מערכות אוטונומיות. במילים אחרות: רובוטים מתקדמים בעלי יכולות "חשיבה" ופעולה עצמאית. "וכדי לעשות זאת עלינו ללמוד הרבה מאוד מהטבע," הוא אומר.
בחדרו הצנוע והמאובזר ובאופן ספרטני מחזיק פרופסור וייס בקופסת פלסטיק שקופה וקטנה, מיקרו-מל"ט, מטוס זעיר ללא טייס בגודל יתוש שתוכנן בטכניון ונבנה ברפאל; בתוכו חיישן ומצלמה דיגיטלית בגודל ראש של סיכה. הרובוט המוטס מיועד למשימות ביון וצילום ולדיווח על הנעשה במקום מיושב שעלול להיפגע מנשק ביולוגי או כימי למשל. ה"יתוש" בעל הכנפיים הגמישות והטלסקופיות ישוגר לאזור הנגוע כדי לספק מידע מפורט על המתרחש בו מבלי לסכן שלא לצורר כוחות חירום והצלה אנושיים. כל שינוי בצבע החיישן, לדוגמה, ילמד מהו החומר הכימי או הביולוגי שזיהם את המקום. למקרה שמשאית שהובילה גז תתהפך, היתוש ידווח בזמן אמת ובמהירות על היקף הזיהום הסביבתי שנוצר עקב התאונה.
בניית המיקרו-מל"ט חייבה למידה מדוקדקת של התנהגות החרקים המעופפים: ניתוח תנועותיהם וחישובים הקשורים להתנהגותם. וזה רק השלב המקדמי בפרויקט מחקר ופיתוח גדול הרבה יותר. פרופ' וייס: "אנחנו מנסים לברר כיצד מוחו הזעיר של החרק אוצר בתוכו כמות מוגבלת של 'כושר חישוב', אם להשוותו למחשב, ומסוגל לעוף אפילו למרחק משמעותי, לראות ולהריח בנוסף למיומנויות השגרתיות של תחזוקת גופו ושל הרבייה. ומעל לכל: מה יש בחרקים קטנים כמו זבובונים שכל רוכב אופניים נתקל בהם בלילה, כשהם מעופפים סביבו ומעליו בנחילים ובכל זאת לעולם אינם נתקלים זה בזה".
אחד המדענים אמר פעם שהחרקים אינם נחשבים מועמדים להגדרה "אינטלקטואלים", אבל מתברר שכקולקטיב יש להם "מוח מבריק" מאוד והם מסוגלים ללמד אותנו מיומנויות שלא רכשנו במאות אלפי שנות אבולוציה. פרופסור וייס: "הלמידה הזאת משמשת לחיקוי רעיונות מהטבע עבור בניית רובוטים שיפעלו בקבוצות ויהיו מסוגלים לתקשר ביניהם באורח עצמאי, לחלק ביניהם משימות ולבצען. כמו כן, אפשר ללמוד מהזבובונים כיצד לשפר מערכת בקרה עבור התעופה האזרחית על מנת למנוע תאונות מטוסים. היום, כשחמישה מטוסי נוסעים מתקרבים לנחיתה מכיוונים שונים, בבקרה האווירית נתקלים בלא מעט קשיים בהנחייתם כיצד לא להתנגש. מה יקרה אם באוויר יימצאו בו-זמנית מאות כלי טיס מעל אזור מסוים? לכן פנינו לחרקים, כדי ללמוד מהם".
רעיון אחר שנחקר בנוגע ליכולות החרקים הוא האפשרות שמצלמה זעירה תירתם לגופו של החגב, הפרט הבודד בנחיל הארבה. הוא ישוגר עמה ליעד האויב, המצלמה תצלם ואפילו תשדר תמונות ממרחק. פרופ' וייס: "למה ארבה? גם כדי להטעות את האויב, אבל גם משום שעדיין קשה ומסובך לבנות מל"ט, ואילו חגב יכול לשמש כפלטפורמה מוטסת - ובחינם".
גם חרגולים וחיפושיות מעופפות עם מצלמות על הגב מועמדים לתפקיד דומה. הם יכולים לטוס מאות מטרים ובאורח טבעי, הם כבר מוסווים. מדוע שמפקד כיתה בשדה הקרב העתידי לא יוכל לשגר חרקים דומים ואפילו לשלוט בנתיב הטיסה שלהם באמצעות הג'ויסטיק? הם יעופו למרחק של 400 מטר לכל היותר רק כדי לדווח על נעשה מצדה האחר של גבעה בשטח שבשליטת יחידת אויב. חרגול
כזה מסוגל לשאת על גבו לכל היותר מטען שמשקלו 2 גרם , "וזה יכול גם להיות חומר נפץ".
הלמידה השיטתית של תכונות, מיומנויות וכישורים הייחודיים לבעלי החיים קיבלה תאוצה בשני העשורים האחרונים והתבססה כתחום מדעי בשם ביומימטיקה (חיקוי הטבע). התחום הזה הפך אקטואלי במיוחד גם הודות להתפתחויות בתחומי המיקרואלקטרוניקה והמחשוב וגם בעקבות התקדמותה העתידית של הננו-טכנולוגיה.
"במכוני מחקר רבים", אומר פרופ' וייס, "מתכננים לטפח חיידקים שייצרו עבורנו חומרים כימיים חשובים או לרתום אלמוגים - מושבות של מיליארדי חד-תאיים ימיים קטנטנים - ש'יחונכו' לבנות עבורנו מבני סידן קשיחים מאוד לשימושים מגוונים. לדוגמה, במעגני סירות".
החכם מכל אדם אמר "לך אל הנמלה עצל, למד דרכיה וחכם" (ספר משלי), וגם מדעני המאה ה-21 שבים אל החרקים הקטנטנים, המופלאים והלא תמיד חביבים הללו. מחקר שנעשה בטכניון העלה כי בדרך כלל הנמלים נעות בטור. תוכנת מחשב גילתה מה הן עושות בצעדה כזו. התברר שהנמלים המובילות את הטור מדווחות לאלה שאחריהן וכך הלאה באמצעות תקשורת המבוססת על הפצת ריח (פרומונים).
פרופ' וייס: "הרעיון ההנדסי של אותו מחקר הוא לנסות וליצור נמלים מלאכותיות, מעין רובוטים זעירים בעלי יכולת תנועה ופעולה הדומה לזו של הנמלה. תפקידם יהיה לאתר מפגעים סביבתיים בעודם בקנה מידה קטן ונשלט," למשל, מקרה של דלקה ביער. לנמלה המלאכותית יהיה מנגנון התרעה שיזהה שינוי בטמפרטורה המקומית, ובהעברת אותות תקשורת בשרשרת לאחור היא תוכל לדווח למוקד השליטה והבקרה על המתרחש בתוככי האזור הבוער. "באזורי היערות הענקיים בעולם המשתרעים על פני מאות ואלפי ק"מ", מסביר וייס, "יש לכך חשיבות עצומה".
בעל חי נוסף שריתק מאז ומתמיד את דמיון המדענים ואת דמיוננו הוא הזיקית. היכולת המופלאה שלה להחליף צבעים ריכזה אינספור מחקרים כדי לגלות את מקורות התכונה הזאת. במכון של ענקית התעשייה היפנית "קנון“ בטוקיו נחקר מנגנון מדהים נוסף של הזיקית - הלשון הבליסטית. השנה התגלה לראשונה שזו הלשון הבליסטית המהירה ביותר בעולם החי; באמצעותה הזיקית לוכדת טרף במשקל כבד ביחס למשקל שלה.
המחקר גילה שהלשון, המתארכת פי 6 מגודלה הרגיל, נשלפת במהירות של 10.5-3.5 מטר בשנייה - מהירות שהעין האנושית איננה מסוגלת לעקוב אחריה. צוות המחקר דיווח לכתבי עת מקצועיים שהשלב הבא בעבודתו יהיה לפתח רובוט בעל מנגנון דומה, שכמובן יישלט מרחוק בידי מפעיליו, בני האדם. המטרה: ליצור "לשון בליסטית הדומה לזו של זיקית, אולי אף מהירה יותר".
החוקרים התעמקו במנגנון העצבי של לשון הזיקית, מדדו, חישבו וניתחו את כל שלבי פעולתה, את קצב תנועת השרירים המעורבים בהפעלתה (בלשון הזאת יש גם עצם זעירה) ואת המנגנון המשני המכיל דבק מיוחד ללכידת הטרף וליניקתו פנימה לתוך הפה. ברובוט שייבנה תהיה זרוע רב מפרקית גמישה מאוד ובעלת מגנט מיוחד, במקום הנוזל הדביק של הזיקית. יהיה לו מנוע חשמלי ואולי גם מעין כנפיים וחיישנים. הייעודים שחושבים עליהם מפתחיו הם קווי ייצור תעשייתיים של רכיבים עדינים מאוד. "הלשון הבליסטית" תשמש לתיקון מיידי של פגמים המתגלים תוך כדי הייצור מבלי שתידרש עצירה של המכונות לסילוק המוצר הפגום.
הפנטגון בארה"ב משקיע בימים אלה מיליוני דולרים בפיתוח טיסן זעיר כגודלו של יונק דבש, אותה ציפור מיניאטורית בעלת כושר תעופה מופלא המזכירה גם מסוק. הטיסן יהיה מצויד במצלמת וידאו וברשמקול להקלטת תמונות וקולות והוא ישוגר לאתר שלכודים בו בני אדם, כמו בנייני מגורים או משרדים שקרסו ברעידות אדמה הרסניות. שימוש מתוכנן נוסף הוא איתור מקורות דליפה של כימיקלים מסוכנים.
מוטת כנפי המזל"ט דמוי יונק הדבש תגיע ל-16.5 ס"מ בלבד, מהירות טיסתו תהיה 17.6 קמ"ש, וספק הכוח שלו יהיה בסך הכל סוללתAA. היא תאפשר לו טיסה אופקית, ריחוף ממושך מעל המטרה בדומה למסוק, טיסה קדימה ואחורה ותנועה צדית. כושר הסיבוב של הגוף יהיה בכיוון השעון וגם הפוך - בהתאם לפקודות שישגר המפעיל מרחוק. חברה בקליפורניה זכתה במכרז לבניית "יונק הדבש" המלאכותי, ומן הסתם הוא יקבל גם תפקיד משמעותי במערך הריגול של צבא ארה“ב.
כישורי התנועה הזריזה של נחשים ושל דגים נחקרים גם הם כדי לשמש לבניית רובוטים שונים. כך למשל, נחש-רובוט נבנה במכון הטכניון בחיפה והוא מיועד להיות משוגר לתוככי מערות ולאזורים מסוכנים אחרים כדי לספק מתוכם נתונים ותמונות לצוותי חילוץ והצלה. תנועת דגים נועדה לבנות רובוט דומה שינוע במעמקי הים. אבל אין ספק שבעל חיים מופלא אחד מעורר סקרנות מדעית-הנדסית נרחבת במיוחד: הדיונון. איברי התנועה שלו מזכירים מנועי סילון והתברר כי פעימות "מנוע הסילון" שלו יעילות יותר מאלה של מנוע סילון שבנה האדם למטוסיו.
פרופ' וייס: "בסילון דמוי דיונון נוכל להשתמש לניקוי ארובות של תחנות כוח כדי שהתהליך לא יזהם עוד יותר את הסביבה. סילון פועם, כפי שמכנים זאת, מסלק מזהמים טוב יותר משואב אבק. הוא מזכיר מעשן סיגריה המשחרר טבעת עשן, היא מתרחקת מפיו במהירות - עד שנמוגה. להערכתנו, יש כאן פוטנציאל הנדסי יישומי נרחב".
אחד היצורים המוזרים ביותר בטבע הוא מפלצת ימית ארסית מאוד דמוית מדוזה בשם "הבקבוק הכחול", הנפוצה ליד חופי הוואי ומכונה "איש המלחמה הפורטוגזי". מהתצפיות בה עולה שיש לה מעין מפרש חיצוני שתפקידו להעניק לה יכולת תנועה ברוח. מה עושים עם זה? עתה לומדים לתכנן מנגנון דומה שישמש כטייס אוטומטי לסירות מפרש, כדי לחסוך מהצוות את הצורך לשכב ולהטות את הגוף מצד לצד לכיוון תנועת המפרשית.
הנושא המחקרי המרתק ביותר בלמידה מהטבע לשם בניית רובוטים מתוחכמים הוא פענוח הדרך שבה בעלי חיים מקבלים החלטות או פועלים. חלקם מתנהלים כצוותים, ומי שעקב אחריהם גילה כי זו פעילות המצטיינת בתכנון אסטרטגי מוקפד מאוד. מחקר שערך פרופ‘ ראובן יוסף, חוקר התנהגות בעלי חיים באוניברסיטת בן-גוריון בנגב ובמרכז הבינלאומי לצפרות באילת, עם בתו ד"ר נופר יוסף מאוניברסיטת תל-אביב, המתמחה בשיטות תרפיה עם בעלי חיים לילדים אוטיסטים, גילה התנהגות מופלאה בצוות של עורבים שחורי עורף.
המחקר עקב אחר טקטיקת ציד של 6-4 עורבים כשניסו ללכוד חרדונים במושב פארן בערבה. התברר כי בשלב הראשון כיתת העורבים משגרת סיור מודיעין כדי לאתר חרדון הראוי לטרף. בהמשך הם מתקרבים אליו באיטיות ומחכים בסבלנות עד שייצא ממחילתו. שני עורבים מתנתקים מהשאר וחוסמים את דרכו של החרדון חזרה למחילה על מנת שלא יימלט, ושניים נוספים מתבייתים עליו כדי ללכוד אותו.
פרופ' יוסף מסביר שהמחקר זיהה בבירור חשיבה מתקדמת ואפילו מודעות עצמית מצד העורבים. לשניים מהצוות היה תפקיד מוגדר במהלך - לרתק את החרדון. הם הפגינו בפעולה הזאת ביטחון שתוצאתו הסופית של המבצע הטקטי המלא תהיה שיישאר מספיק מזון לכל חברי הצוות שנטלו בו חלק. יוסף: "יש כאן בפירוש מודעות קבוצתית ועצמית שלא ידענו עד כה שקיימת בקרב בעלי חיים מסוג זה, אף שעורבים נחשבים לבעלי כנף חכמים במיוחד".
"אנו מוצאים חשיבה, תכנון מוקפד ועבודה בצוות אצל קופים וכמובן בבני אדם, אבל עד למחקר זה (שפרטיו פורסמו בכתב העת המדעי Ethology) לא היה ידוע שהוא קיים גם בקרב ציפורים", מוסיף יוסף. "הכרנו ציד בזוגות והורים שמלמדים את צאצאיהם הקטנים לצוד. אבל חשיבה קבוצתית עם חלוקת תפקידים ברורה ומוגדרת בצוות גדול יותר מצמד נראו לראשונה במחקר הזה".
תכנון אסטרטגי מדהים מפגינים דולפינים, מדגיש פרופ' וייס, שעסק במחקר עליהם בתקופת שהותו בסן דייגו, קליפורניה. "חקרנו שם כיצד דולפינים צדים דגים, כמו טונה וסרדינים. הם באים בלהקה גדולה, מתנפלים על הדגים מכיוונים שונים כדי להפחידם, ואז הדגים מתרכזים במקום אחד ושלב ההסתערות המוחץ והאחרון בעצם מסתיים. יש כאן טקטיקה צבאית מהמעלה הראשונה. ב"יוטיוב" רץ סרטון מדהים שנראים בו כמה קטלנים, לווייתנים טורפים מזן Orca במרדף אחר כלב ים באזור יבשת הקוטב הדרומי, אנטרקטיקה.
מהאירוע הזה - שצולם, נחקר לפרטיו ונותח מתמטית לבניית מודל ממוחשב - נלמדה אסטרטגיית העבודה בצוות תוך חלוקת תפקידים ברורה ותקשורת שקיימת בין כל הפרטים בצוות, זאת כדי להבטיח ביצוע מושלם. היכולות הללו ישמשו לבניית רובוטים המצוידים במצלמות, בחיישנים, ב"עיניים", בנווטנים (ג'י.פי.אס), במנועים לתנועה וגם במוח - מחשב מרכזי - שיתפעל אותם.
במכון ויצמן מתבצע מחקר של פרופ' דורון לנצט וד“ר צביה אולנדר בציפור שיר קטנטנה, פרוש הזברה. המחקר מיועד לגילוי הגנים והמנגנונים העצביים המאפשרים לבעל הכנף הזה לתקשר עם בני מינו באמצעות צלילים וקולות משתנים. התברר שיש לציפור השיר הזאת יכולת למידה של מנגינות חדשות והיא מקנה אותה לצאצאיה.
פרופ' וייס: "החלום הגדול של המדענים הוא לדעת כיצד לתקשר עם בעלי חיים ביתר יעילות. כל מי שמטפח בביתו חיית מחמד כמו כלב או חתול יודע שהם מבינים אותו. מתברר שהם מבינים את טון הדיבור שלנו, ואילו אנחנו לא מבינים את טון הנביחות או היללות שהם משמיעים. אילו יכולנו להסביר לבעלי החיים מה בדיוק אנחנו רוצים מהם, הם היו עושים זאת למעננו מרצון ולא מכורח הנובע מאימון ואילוף".
כאן מביע פרופ' וייס תקווה שהמדע יוכל להגיע ליכולות של שלמה המלך, לידיעת השפה של בעלי החיים. "אנחנו יודעים שלבעלי חיים שפה משלהם", הוא אומר, "אבל רק עתה אנו מגלים שלבעלי חיים מסוימים יש אפילו מצעד פזמונים ולהיטים. תצפיות בלווייתנים העלו כי מדי שנה בשנה הם משמיעים שירים אחרים. הטונים משתנים והרפרטואר מתחלף. ממחקר אחד עולה כי שיר שמשמיעים חברי להקת לווייתנים במקום אחד באוקיינוס מתפשט במהירות במרחביו לאזורים האחרים, כמו להיטי המוזיקה אצל בני האדם. לא ידוע מהי מטרת השירים, אולי זה סתם מעין שירה בציבור. ייתכן שההסבר לכך אחר: אולי זו צורה ייחודית של העברת מסרים בין הלווייתנים בדבר שינויים שחלו בתנאי החיים והסביבה שלהם. גם זה נושא למחקר המתבצע עתה".
אז זה נושא פרס הנובל הבא של הטכניון בחיפה?
"הלוואי, אך לא נותנים פרסי נובל למקצוע ההנדסה".
נא להמתין לטעינת התגובות
אקו"ם