רובוט בעובי דף ובית במאדים: השלב הבא בהדפסות תלת-ממד

במעבדה של פרופ' שלמה מגדסי, לאף אחד לא נראה מוזר שהיום עובדים על שמן רימונים לטיפול בהפרעות קוגניטיביות, מחר על טכנולוגיה להקמת בניין במאדים ומחרתיים על פסל תלת-ממד של אלברט אינשטיין, עם הלשון בחוץ כמובן. החוט המקשר בין כל הפיתוחים המסחררים האלה הוא חלקיקים ננומטריים. "כשיש לך חלקיק קטן מאוד, אם אתה שותה אותו הוא תרופה, אם הוא על הקיר זה צבע, ואם הוא יוצא ממדפסת הוא יכול להיות הדפסת דו-ממד או תלת-ממד", מסביר מגדסי, שתפקידו במהפכת מדפסות התלת-ממד הוא לספק את ה"דיו". "הדבר היחיד שמעכב את המהפכה הוא איכות החומרים שבאמצעותם מדפיסים, ולכן בזה אנחנו מתמקדים", הוא אומר.

בראיון ל"גלובס", חושף מגדסי, המכהן כיום כראש המכון לכימיה וכראש המרכז להדפסת תלת-ממד באוניברסיטה העברית, כמה מהפיתוחים ומסביר כיצד עובדת הטכנולוגיה. ב-25 באוקטובר יתקיים באוניברסיטה העברית בירושלים הכנס 3D Printing & Beyond - Current and Future Trends שבו יוצגו מגוון טכנולוגיות וחידושים פורצי דרך בתחום הדפסות תלת מימד על ידי מומחים מהאקדמיה ומהתעשייה מהארץ ומחו"ל. מארגני הכנס הם המרכז להדפסה תלת מימדית ופונקציונאלית באוניברסיטה העברית ויישום, חברת מסחור הטכנולוגיה של האוניברסיטה העברית. הכנס נערך בשיתוף הרשות לפיתוח ירושלים ובתמיכת משרד ירושלים ומורשת ועיריית ירושלים. פרופ' שלמה מגדסי ודר' מיכאל לאיאני הם יו"רים משותפים של הכנס.

להדפיס לא רק צבע: דיו, לא מה שחשבתם

מגדסי מסביר את התהליכים המתרחשים במעבדה שלו תוך שימוש בדוגמה של חלב. "חלב נוזל מורכב מטיפות שומן שאינן מתחברות זו לזו כי הן מצופות בחלבון, אבל אם נגרום לטיפות להתחבר זו לזו, מה נקבל? גבינה. כך גם לגבי מגוון של חומרים - לפעמים אפשר לחבר את הטיפות אלה לאלה ולפעמים אפשר להפריד ביניהן, וכך משנים את התכונות של החומר. אם עושים זאת בסדרי גודל קטנים, אפשר לקבל שינויים משמעותיים מאוד".

השלב הבא הוא להפוך את הטיפות הללו לדיו. "מהו דיו? חומר פעיל שיודע להחזיק צבע. למשל טיטניום אוקסיד שיחזיר לנו אור לבן. אם נשים אותו על הקיר, הקיר יהיה לבן. אם זה חלקיק של פיח, הקיר יהיה שחור, אבל אם זה חלקיק שיודע להוליך חשמל, אפשר גם להדפיס מוליך חשמלי".

כך אנחנו פוגשים לראשונה את הרעיון של "הדפסה מעבר לצבע". "אפשר להדפיס חומר מוליך, או חומר שהוא חיישן של אור ויודע לנטר את כמות האור בסביבה, או חומר שמפיץ אור ומהווה תחליף למנורה, או חלון חכם, המכיל חומר מוליך ובלחיצת כפתור יכול להפוך מאטום לשקוף".

לאחרונה נמכרה חברה ישראלית בשם dip-tech, שהשתמשה בפטנט ממעבדתו של מגדסי, כדי לפתחדיו המורכב מחלקיקים ננומטריים של זכוכית צבעונית, המודפסים על זכוכית שקופה. מכניסים את הזכוכית לתנור, והתמונה הופכת חלק מהזכוכית. "המוצר הזה נמכר בכל העולם וליישום יש תמלוגים מרכיב הדיו", הוא אומר. אלמלא היה הדיו מורכב מחלקיקי זכוכית בגודל ננומטרי, המנועים מלהתחבר אלה לאלה עד שהם פוגשים חום, לא היה ניתן להפוך את הדיו לחלק מהזכוכית. החברה נמכרה ב-80 מיליון דולר לחברת Ferro העולמית". זוהי כאמור דוגמה פשוטה יחסית לרעיון של "הדפסה מעבר לצבע".

רובוטים עדיין לא יודעים לעטוף קרמבו

אחד התוצרים המסקרנים של הטכנולוגיה שמפתחים במעבדה של מגדסי, שעשויות להיות לו השלכות מרחיקות לכת בעתיד, הוא "רובוט רך", כלומר רובוט נטול מנוע שיכול להיות מורכב מרכיבים רכים ולבצע תנועות רכות.

קחו למשל דף נייר, שהודפסו עליו טיפות ננומטרים שיודעות להוליך חשמל. אם נעביר בהן זרם, הדבר יגרום להן להתקרב זו לזו, וכשנפסיק את הזרם הן יתרחקו. אם נעביר זרם בתדירות מסוימת, הנייר כולו יתכווץ ויתרחב בהתאם לתדר. ההתכווצות יכולה להיות מהירה מאוד או להיפך - עדינה מאוד. היא יכולה להיתרגם לתנועה רובוטית של מכונה.

"היום כל רובוט זקוק למנוע, וזה אומר שהוא צריך בטרייה מאוד גדולה, והוא גם לא יודע לעשות תנועות רכות, למשל לשנע ביצה בלי לשבור אותה, או לעטוף קרמבו. היום קרמבואים נעטפים רק על ידי בני אדם", אומר ד"ר מיכאל לאיאני, ראש מרכז הדפסות תלת הממד הרב תחומי של האוניברסיטה העברית ויו"ר משותף של הכנס, שמצטרף לשיחה. זרוע רובוטית כזאת, בעובי של דף, יכולה לעטוף קרמבו, או יכולה גם לזחול מתחת לדלתות, כי עוביה יכול להיות כשל דף.

מגדסי רוצה להפוך למציאות את הביטוי "מעגלים חשמליים מודפסים" שנולד במאה הקודמת (ראו מסגרת). עד היום, המעגלים הללו לא באמת הודפסו. "אנחנו יכולים להדפיס חומר רגיש לקרינה אלקטרומגנטית, כלומר למעשה אנטנה מודפסת, על גבי כרטיס אשראי או על גבי כל חפץ תלת-ממדי, וזה מוביל אותנו לעולם האינטרנט של הדברים. כך חפצים יוכלו לדבר זה עם זה, לשדר ולקלוט".

במעבדה כבר פותח מוצר אחד, קופסת גלולות שעליה אנטנה מוליכה, וכאשר מקרבים אליה את הסמארטפון, הוא מראה את מלוא המידע על התרופה. נכון, אפשר לעשות זאת גם על ידי סריקת ברקוד, אך התקשורת האוטומטית בין החפצים היא הרבה יותר פשוטה, ובעלת השלכות רבות יותר לעתיד.

בטכנולוגיה הזאת אפשר גם להגשים את החלום שבו המקרר, המזווה או ארון הבגדים יספרו לנו מה יש בהם ומה חסר. בעתיד, המקרר יוכל להזמין את המצרכים החסרים לבד, ואילו ארון הבגדים יציע לנו שילובים ויאתר לנו פריטים אהובים ונשכחים שנדחסו מאחור. הכול בזכות אותו ננו-חומר המאפשר את הדפסת האנטנה על גבי כל דבר.

- כבר הרבה שנים מדברים על האפשרות שלכל מוצר, או לפחות למוצרים חשובים, יהיה גם תג משדר ושהמקרר יזמין אוכל לבד. לכל הפחות, שנוכל לשרוק למשקפיים והם יענו לנו. מה מעכב את זה?

"המחיר של חיבור אנטנה לכל מוצר. הדפסת החומרים המוליכים על המוצרים, תוך התאמה לצורתם, מפשטת את התהליכים, ויש לנו פטנט על כך. אנחנו לא המצאנו שבבים, אבל המצאנו את הדיו שמאפשר ייצור של השבבים הללו בצורה מאוד פשוטה ולא יקרה".

על בסיס הפטנט הזה הוקמה חברת ננודיימנשן, הנסחרת כיום בבורסה בתל אביב לפי שווי של 221 מיליון שקל. "באמצעות שימוש בדיו הכסף שפיתחנו, ננודיימנשן מדפיסה מעגל מודפס חדש בתוך יום".

חומרים משנים צורה, גם אחרי ההדפסה

הדפסת מוצרים בסוגי הדיו המיוחדים מהמעבדה של מגדסי, שכבה על גבי שכבה, מובילה אותנו לעולם הדפסות התלת-ממד, שהוכתרו כמהפכה התעשייתית הבאה, אבל כיום עובדים שם גם על הדפסה בארבעה ממדים ויותר (כך מכנה זאת מגדסי), כלומר על הדפסת תלת-ממד של חומרים שיכולים להשתנות גם אחרי ההדפסה.

"אני יכול ליצור בתלת ממד, כמו בדו-ממד, חומרים שיכולים להשתנות כתוצאה מחשיפה לחשמל, אור, חום וכדומה", הוא מסביר. אחד היישומים של הטכנולוגיה הזאת הוא לדוגמה הדפסה של איבר מלאכותי, נניח פרוטזה של יד, שיכולה לשנות צורה ולאחוז בדברים כתוצאה מהולכת זרם חשמלי.

"אם נדפיס חומר שיודע לזוז כתוצאה משינוי של טמפרטורה או חומציות, נוכל למשל לפתח סטנט שנכנס לגוף כשהוא מקופל לגמרי, ובמקום הנכון, בזכות חימום, הוא חוזר לצורתו הרצויה", מוסיף מגדסי. "התכונה הזאת נקראת 'זיכרון צורה'. בתחומים רבים של עולם המכשור הרפואי מוצאים היום מתכות עם התכונה הזאת, אך אנחנו יכולים לייצר חומרים פלסטיים עם זיכרון צורה, וזה עולה הרבה פחות מאשר מתכת. יכולת העיוות של החומר היא עצומה".

בעזרת אותו עיקרון, מגדסי עובד גם על גלולה מיוחדת, שבולעים אותה בעודה קטנה ובקיבה היא נפתחת כפרח ושולחת זרועות סביב, כך שהקיבה אינה יכולה להיפטר ממנה במהירות אלא צריכה לעכל אותה בהדרגה. גלולה כזו יכולה ליצור תחושת שובע, אך גם לשמש כמנגנון הולכה של תרופות, כאשר רוצים ליצור שחרור הדרגתי שלהן בתוך הקיבה ולא לאפשר להן להסתלק ממנה בקלות.

"גם כיום מייצרים גלולות מורכבות, אבל על ידי ציפוי הגלולה בשכבות, כך שהיא משחררת את החומר שבשכבה הראשונה ורק אחר כך את החומר שבשכבה השנייה. אנחנו, לעומת זאת, יכולים לדוגמה לשחרר את שני החומרים במקביל אבל בכמויות משתנות. אותן מערכות הולכה מעולם התרופות אפשר ליישם גם בתחום ההדברה החקלאית".

פיתוח נוסף שהצוות עובד עליו במעבדה הוא הדפסה בתוך מים. "זו יכולת לא טריוויאלית אך היא חשובה להדפסת איברים מלאכותיים, משום שהתאים יצטרכו לגדול על הפיגום הפולימרי וללא מים לא יוכלו לצמוח. הבאנו לעולם את הפתרון היחיד עד כה המאפשר להדפיס במים שכבר גדלים בתוכם תאים, בלי להרוג את התאים".

- חברת קולפלנט הישראלית, המייצרת קולגן אנושי מעלי טבק, הודיעה לאחרונה שהקולגן שלה יכול לשמש פיגום לאיברים שהודפסו בתלת-ממד. התהליכים הללו משתלבים?

"כן. בדוגמה הזאת, אני צריך לייצר מהקולגן שלהם חומר שאני יכול להדפיס, והוא יהפוך להיות הפיגום שעליו יצמחו התאים. היום אנחנו לא עובדים עם קולגן אלא עם פולימר שמותר להכניס לגוף, וייתכן שנתכנן אותו כך שאחרי שיצמחו התאים ויהפכו לאיבר, הפולימר בכלל יתמוסס".

בניינים לאכלוס מהיר של מאדים

ומה היעד הבא? מאדים, לא פחות. "פנתה אלינו האדריכלית הירושלמית הלן וקסלר, שקוראת לעצמה Archi-Tech, כלומר היא משלבת אדריכלות וטכנולוגיה. היא שאלה אותנו אם יש לנו אפשרות לעסוק בנושא של הדפסת מוצרים על מאדים, מחומרים שנמצאים על הכוכב, משום שיש תפיסה שלפיה כאשר בני אדם יחלו לאכלס את מאדים, יהיה מאוד יקר לשנע לשם כל חומר. מעבר לכך, ככל שניתן יהיה לבנות כמה שיותר עם כמה שפחות כוח אדם, לפני שרוב התושבים החדשים יגיעו, כך יהיה קל וזול יותר להתבסס שם.

"השיטה הכי נוחה וזולה ומהירה לבנות את הבניינים על מאדים ולייצר את כלי העבודה שבהם ישתמשו תושבי הכוכב היא באמצעות הדפסה. הלן זכתה בתחרות של נאס"א לעיצוב מבנים ייחודיים למאדים, ובשלב הבא של התחרות, מציגים את החומרים ואת הטכנולוגיות שבאמצעותם יבנו".

עד שאותם בתים יאכלסו את מאדים, לרעיונות האלה יכולים להיות יישומים רלוונטיים בהרבה לאנושות כיום, לדוגמה בשיקום מהיר של אזורים זרועי הרס.

"מדפסת תלת ממד בבית? לא צריך את זה"

לדברי מגדסי, ממש עכשיו נמצא תחום הדפסות התלת-ממד לפני נסיקה, לפני זינוק מהאקדמיה אל חיי היומיום, אבל הוא לא צופה שהמדפסות הללו יהפכו למוצר שיש בכל בית. "בשביל מה את צריכה את זה? כבר היום את יכולה לקנות מדפסת ב-500 דולר, אבל היא מדפיסה רק פלסטיק, זה משחק טוב לילדים. אני לא חושב שאת זקוקה למדפסת בבית, ולכן המחירים של המדפסות האיכותיות באמת גם לא יירדו לרמה ביתית. אחרי הכל, כמה מוצרים ייחודיים עם עיצוב חדשני את מייצרת לעצמך? "המהפכה תגיע מכך שחברה כמו אמזון תוכל לקבל ממך הזמנה ולהדפיס לך, למשל, רהיט מותאם אישית במרכז שירות ליד הבית שלך. במוסך ידפיסו לך חלק נחוץ לרכב. תוכלי לתכנן לעצמך בגדים עם שילובי בדים וקישוטים שונים, ולהזמין אותם באינטרנט".

מעגלים מודפסים, אבל באמת מודפסים

המושג "מעגלים מודפסים" מוכר משנות ה-80 של המאה ה-20, אבל הם לא היו מודפסים באמת. איך הם הורכבו? פרופ' מגדסי מסביר: "לוקחים משטח של נחושת, מצפים אותו בפולימר ומקרינים אותו באור שמקשה אותו במקומות מסוימים. הקרנת האור בנקודות הספציפיות דומה להדפסה וכך נולד השם. לאחר מכן שמים את המעגל בתמיסה שמאכלת את הנחושת שלא חוזקה על ידי הפולימר. זה תהליך שנקרא 'ייצור בגריעה', לעומת תהליכי הדפסה ישירה שבהם מוסיפים את הנחושת או הכסף בדיוק היכן שרוצים ('ייצור בהוספה'). בתהליך כזה נוצרת הרבה פחות פסולת, עניין משמעותי למחיר וגם לסביבה".

- מדוע חלקיקי המוליך הם בגודל ננומטרי?

"משום שהקטנת החלקיקים מאפשרת הדפסה שלהם בטכנולוגיות של הזרקת דיו, ומשום שחלקיקים בגודל ננומטרי מקבלים תכונות ייחודיות. למשל, הכסף משנה את טמפרטורת ההתכה שלו בגלל הגודל. גוש כסף יותך ב-960 מעלות, ואילו אנחנו יכולים לגרום לחלקיקים להתאחות זה עם זה ב-300 מעלות או אפילו בטמפרטורת החדר, כמו נוזל".

- ואיך אתה מקטין את החלקיקים?

"אני לא מקטין אותם, אלא הולך הפוך: אני מתחיל עם יון כסף והופך אותו לאטום ומחבר אליו עוד אטום ועוד אטום ועוצר היכן שאני רוצה. אלה תהליכים שמבוססים על ריאקציות כימיות. אם נעשה זאת להרבה יונים, נקבל הרבה אטומים שרוצים להתחבר זה לזה. אם רק נדע איך לעצור אותם מלהתחבר, יהיו לנו חלקיקים בגודל הרצוי".

- איך עוצרים אותם מלהתחבר?

"אנחנו משתדלים להשתמש בפשוטים שבחומרים, למשל כאלה המשמשים בתעשיית הגלידה להצמגה ולמניעת גיבוש הגלידה לקרח".

- זה קצת גורם לי לדאוג לגבי מה שיש בגלידה.

"בכלל לא. מדובר לרוב בחומרים טבעיים על בסיס צלולוז, חומר הנמצא במעטפת של תאי צמח. אנחנו משתמשים בחומרים יותר תעשייתיים, אבל העיקרון דומה".