RESEARCH

המחקר נערך על ידי צוות מומחים מאוניברסיטת תל אביב, בהובלת פרופ' יעל חנין מבית הספר להנדסת חשמל ופרופ' דינו לוי מהפקולטה לניהול ע"ש קולר, ובהשתתפות ד"ר אנסטסיה שוסטר, ד"ר לילך אינזלברג, ד"ר אורי אוסמי והדוקטורנטית ליז איזקסון. המחקר פורסם בכתב העת היוקרתי Brain and Behavior.

איך בכל זאת אפשר לזהות שקר?

"מחקרים רבים הראו שאי אפשר באמת לזהות שקר, וכל האנשים שטוענים שהם יודעים לזהות 'פוקר פייס' – משלים את עצמם", מסביר פרופ' לוי. "יש מומחים, למשל חוקרי משטרה, שמצליחים קצת יותר, אבל רק קצת. ואילו הטכנולוגיה הקיימת של גלאי אמת בעייתית עד כדי כך שהיא אפילו לא קבילה בבית המשפט. תמיד אפשר ללמוד לשלוט על הדופק ולהערים על המכונה. מכל זה נובע שצריך טכנולוגיה אמינה ומדויקת יותר לזיהוי שקרים. הנחת יסוד אחת במחקר היא ששרירי פנים מתעוותים כשאנו משקרים, אלא שעד כה האלקטרודות פשוט לא היו רגישות מספיק כדי למדוד את העיוותים הללו".

המחקר החדש התאפשר הודות לפיתוח חדשני ופורץ דרך מהמעבדה של פרופ' יעל חנין: מדבקות המודפסות על משטחים רכים ומכילות אלקטרודות מיוחדות, המאפשרות לנטר ולמדוד את פעילות השרירים והעצבים. לפיתוח, שכבר ממוסחר דרך חברת X-trodes, יישומים רבים כמו ניטור שינה מהבית, זיהוי מוקדם של מחלות עצביות ושיקום, אבל הפעם החוקרים מאוניברסיטת תל אביב החליטו להשתמש בו בכיוון אחר: זיהוי שקרים.

במסגרת הניסוי, החוקרים הדביקו את האלקטרודות המיוחדות על שתי קבוצות שרירי פנים: שרירי הלחי הסמוכים לשפתיים והשרירים שמעל הגבות. הנסיינים נתבקשו לשבת אחד מול השני, כשלראשם אוזניות, שהשמיעו את המילים "קו" או עץ". כאשר נסיין אחד שמע "קו" ואמר "עץ", או שמע "עץ" ואמר "קו", הוא שיקר כמובן – והיושב מולו היה צריך לנסות ולזהות השקר.

בשלב השני, הנסיינים התחלפו, והמנחש התבקש להגיד אמת או שקר. כצפוי, המשתתפים בניסוי לא הצליחו לזהות אם שיקרו להם במובהקות סטטיסטית, אולם האותות החשמליים מפניהם אפשרו לחוקרים להגיע לתוצאה חסרת תקדים של זיהוי השקר ב-73% מהמקרים.

אז איך אתם משקרים - עם הלחי או עם המצח?

"מדובר במחקר ראשוני, ולכן השקר עצמו היה פשוט", אומר פרופ' לוי. "לרוב, כשאנחנו משקרים אנחנו מספרים סיפור ארוך יותר מ'קו' ו'עץ', עם מרכיבים של אמת ומרכיבים של שקר. אבל היתרון המחקרי כאן הוא שאנחנו ידענו מה נאמר באוזניות, כלומר ידענו מתי נאמר שקר ומתי אמת, וכך אימנו את התוכנה באמצעות למידת מכונה מתוחכמת לזהות שקרים לפי אותות ה-EMG באלקטרודות, והגענו לדיוק של 73% - לא מושלם, אבל טוב בהרבה מכל טכנולוגיה קיימת. תוצאה מעניינת אחרת הייתה שאנשים שונים משקרים באמצעות שרירים אחרים בפנים: חלק שיקרו עם שרירי הלחי וחלק עם השרירים שמעל הגבות".

לתוצאות הללו ייתכנו השלכות דרמטיות על היבטים רבים של חיינו, שכן המחקר הבסיסי לגבי הפיזיולוגיה של הפנים בעת אמירת השקר יכול לייתר את הצורך באלקטרודות ולאמן תוכנות וידאו לזהות שקרים לפי תנועות השרירים עצמם. "בבנק, בחדר החקירות, בנמל התעופה או סתם בריאיון עבודה בזום, מצלמות ברזולוציה גבוהה שאומנו לזהות את תנועות שרירי הפנים ידעו לזהות מתי אנחנו דוברי אמת ומתי שקר", מסכם פרופ' לוי. "ברגע שנעבור את השלב הניסויי, נאמן את התוכנות ונייתר את הצורך באלקטרודות, היישומים רבים ומגוונים".

"מחקרים רבים הראו שאי אפשר באמת לזהות שקר, וכל האנשים שטוענים שהם יודעים לזהות 'פוקר פייס' – משלים את עצמם", מסביר פרופ' לוי. "יש מומחים, למשל חוקרי משטרה, שמצליחים קצת יותר, אבל רק קצת. ואילו הטכנולוגיה הקיימת של גלאי אמת בעייתית עד כדי כך שהיא אפילו לא קבילה בבית המשפט. תמיד אפשר ללמוד לשלוט על הדופק ולהערים על המכונה. מכל זה נובע שצריך טכנולוגיה אמינה ומדויקת יותר לזיהוי שקרים. הנחת יסוד אחת במחקר היא ששרירי פנים מתעוותים כשאנו משקרים, אלא שעד כה האלקטרודות פשוט לא היו רגישות מספיק כדי למדוד את העיוותים הללו".

המחקר נערך בהובלת הדוקטורנט מירון צולמן, בהנחיה משותפת של פרופ' אלכסנדר גולברג מבית הספר למדעי הסביבה ומדעי כדור הארץ ע"ש פורטר ושל פרופ' אלכסנדר ליברזון מבית הספר להנדסה מכנית באוניברסיטת תל אביב. המחקר נערך בשיתוף פרופ' בוריס רובינסקי מהפקולטה להנדסה מכנית באוניברסיטת ברקלי. המחקר פורסם בכתב העת היוקרתי Communications Biology.

"המעבדה שלי חוקרת תהליכים בסיסיים ומפתחת טכנולוגיות עבור חקלאות ימית", מסביר פרופ' גולברג. "אנחנו מפתחים טכנולוגיות לגידול אצות בים כדי לקבע פחמן ולמצות מהן חומרים שונים כמו חלבונים ועמילנים, במטרה לייצר את התוצרת החקלאית גם בים. במחקר הראנו שאם מגדלים את האצות בהתאם למודל שפיתחנו, בסמיכות לשפי הנחלים, הן יודעות לספוג את החנקן כך שיתאים לתקנים הסביבתיים, למנוע את התפזרותו במים ובכך לנטרל את הזיהום הסביבתי. בדרך זו, אנחנו למעשה מייצרים מעין "מתקן טיהור טבעי" שיש לו גם ערך אקולוגי משמעותי וגם ערך כלכלי, שכן ניתן למכור את האצות כביומסה לשימוש האדם.

גם רווחיות וגם ידידותיות לסביבה

החוקרים מוסיפים כי המודל המתמטי מצליח לנבא את תפוקות החוות ולקשור את תפוקת האצות והרכבן הכימי לריכוז החנקן בנחל. "המודל שלנו מאפשר לחקלאים ימיים, וגם לגופי ממשל וסביבה, לדעת מראש מה תהיה ההשפעה ומה יהיו התוצרים של חוות אצות גדולה – לפני שמקימים את החווה בפועל", מוסיף מירון צולמן. "בזכות המתמטיקה אנחנו יודעים לעשות את ההתאמות גם לחוות גידול גדולות ולמקסם את התועלת הסביבתית, לרבות ייצור כמויות החלבון הרצויות לנו מבחינה חקלאית".

"צריך להבין שכל העולם הולך לכיוון האנרגיה הירוקה, ואצות ים יכול להיות מקור משמעותי", מוסיף פרופ' ליברזון, "ובכל זאת אין היום חווה אחת עם היכולת הטכנולוגית והמדעית שהוכחנו. החסמים כאן הם גם מדעיים: אנחנו לא באמת יודעים מה תהיה ההשפעה של חווה ענקית על הסביבה הימית. זה כמו לעבור מגינת ירק ליד הבית לשדות אינסופיים של גידול חקלאי תעשייתי. המודל שלנו מספק כמה מהתשובות, בתקווה לשכנע את מקבלי ההחלטות שחוות כאלה יהיו גם רווחיות וגם ידידותיות לסביבה. ואפשר גם לדמיין תרחישים עוד יותר מרחיקי לכת. למשל, אנרגיה ירוקה. אם היינו יודעים לנצל את קצבי הגידול לאנרגיה באחוזים טובים יותר, היה אפשר לצאת לשיט של שנה עם קילוגרם אצות, לא להזדקק לדלק נוסף מעבר לייצור הביומסה בסביבה ימית".

"החיבור המעניין שאנחנו מציעים כאן הוא גידול אצות על חשבון הטיפול בחנקן", מסכם פרופ' גולדברג. "בעצם פיתחנו כלי תכנוני לבניית חוות של אצות בשפכי נחלים, שיאפשר גם לטפל בבעיה הסביבתית וגם להפיק תועלת כלכלית. אנחנו מציעים תכנון של חוות לגידול אצות בזרימות של נחלים עם הרבה חנקן מחקלאות, כדי לשקם את הנחל ולמנוע מהחנקן להגיע לים וגם כדי לגדל את האצות עצמן למאכל. באופן הזה החקלאות הימית משלימה את החקלאות היבשתית".

ד"ר קארל מריגן, פוסט-דוקטורנט בקבוצתו של פרופ' יאיר שוקף מבית הספר להנדסה מכנית באוניברסיטת תל אביב, מציע מטא-חומר חדשני ששובר את התבנית הזו. במחקרם, שפורסם לאחרונה בכתב העת Physical Review Research, מציעים מריגן ושוקף חומר העשוי מרכיבים בעלי תכונות מכניות שונות: שילובם לכדי סריג מחזורי מניב חומר המסוגל להראות תגובות מכניות שונות ומגוונות, בתגובה לאותו הדרבון בדיוק.

חומרים שזוכרים את ההיסטוריה

לדברי מריגן ושוקף, מטא-חומר זה, שדומה לקרח, "עשוי להוות צעד נוסף בדרך לפיתוח חומרים חדשניים שזוכרים את ההיסטוריה של המאמצים המחזוריים הקודמים שהופעלו עליהם".

מטא-חומר הוא מבנה מלאכותי שמורכב מצורה שחוזרת על עצמה, בדומה לחומר טבעי שמורכב מאטומים שמסודרים בצורה מחזורית בגביש. סידור הנדסי מסוים של תאי היחידה החוזרים על עצמם במטא-חומר מעניק לחומר תכונות ייחודיות שאינן קיימות בחומר הטבעי. רק לאחרונה גילו חוקרים מאוניברסיטת תל אביב, בהם פרופ' שוקף עצמו, מטא-חומר חדש אשר שובר את מגבלות החוק השלישי של ניוטון.

סריגים וגבישים מחזוריים בטבע מחולקים לעצמים בסיסיים הנקראים תאי יחידה, ממש כפי שגוף האדם מחולק לתאים. לכל תא יחידה במטא-חומר זה יש שני עיוותים אפשריים הממזערים את האנרגיה המכנית. עקב כך, אזורים שונים בחומר יכולים להימצא באחד משני מצבים יציבים מכנית, בדומה לאזורים עם קיטובים הפוכים במגנט.

גמישות ופוטנציאל לתכנות

דפוס הדרבון בקצות החומר מביא לבחירה של מופע מכני מועדף על פני מקטע מסוים. מאחר שכל אזור יכול להימצא במופע אחר, ניתן כך לכוון את הצורה של החלוקה הפנימית למופעים. החלוקה הפנימית הזו היא שמאפשרת עושר עצום של דפוסי תגובה, והמערכת יכולה להיקלע למצבים עמידים שונים כאשר הכוח החיצוני המופעל על הקצוות משתנה בצורה מחזורית בזמן.

כך, למערכת גמישות רבה ופוטנציאל לתכנות: ניתן לכוון את התגובות על ידי שינוי המספר והפילוג של מקטעי הלחיצה על שפת החומר, ניתן ללחוץ על מערכות בצורות שונות ועם סימטריות שונות, וניתן ללחוץ על מקטעים שונים במופעים שונים ובעוצמות שונות.

"אנו מאוד שמחים ונרגשים מהתוצאות", אומר פרופ' שוקף, "ומקווים כי זו רק תחנת ביניים לקראת פריצות דרך משמעותיות עוד יותר בתחום המטא-חומרים, שהוא מדע עולה ופורח".

המחקר נערך בהובלת פרופ' גזית מבית הספר למחקר ביו-רפואי וסרטן ע"ש שמוניס בפקולטה למדעי החיים ומהמחלקה למדע והנדסה של חומרים בפקולטה להנדסה, ובהשתתפות צוות החוקרים ממעבדתו - ד"ר סנטו ברה וד"ר וויי ג'י. כמו כן, במחקר השתתפו חוקרים ממכון וייצמן וממגוון מוסדות מחקר באירלנד, בסין ובאוסטרליה. בעקבות הממצאים קיבלו החוקרים לאחרונה שני מענקי ERC-POC שמטרתם לתרגם את המחקר המדעי של מענק ה ERC שגזית זכה בו בעבר לטכנולוגיה יישומית. המאמר פורסם בכתב העת היוקרתי Nature Communications.

במסגרת המחקר, החוקרים יצרו מבנים ננומטריים של החומר המהונדס, ובעזרת מכשור ננוטכנולוגי מתקדם הפעילו עליהם לחץ מכני. הניסוי העלה כי החומר אכן מייצר זרם ומתח חשמליים כתוצאה מהלחץ. יתרה מכך, מבנים זעירים בסדר גודל של מאות ננומטרים הראו פייזואלקטריות שהיא מהגבוהות שהתגלו אי-פעם, המשתווה או עולה על זו של החומרים הפייזואלקטריים הנפוצים היום בשוק (שרובם מכילים עופרת ולכן אינם מתאימים ליישומים רפואיים).  

מנוע זעיר וידידותי

לדברי החוקרים, לתגלית של פייזואלקטריות בסדר גודל כזה בחומר ננומטרי יש חשיבות רבה, שכן היא מדגימה את היכולת של החומר המהונדס לשמש כמעין מנוע זעיר עבור התקנים קטנים מאוד. בהמשך יישמו החוקרים שיטות של קריסטלוגרפיה וחישוביות במכניקת הקוונטים (Density functional theory) בכדי להבין לעומק את ההתנהגות הפייזואלקטרית של החומר, במטרה לאפשר הנדוס מדויק של גבישים לבניית התקנים ביו-רפואיים.

פרופ' גזית מוסיף: "רוב החומרים הפייזואלקטריים המוכרים היום הם חומרים רעילים מבוססי עופרת, או פולימרים, כלומר הם אינם ידידותיים לסביבה ולגוף האדם. החומר שהחדש שלנו, לעומת זאת, הוא ביולוגי לחלוטין, ולכן מתאים לשימושים בתוך הגוף. כך לדוגמה, התקן העשוי מחומר זה עשוי להחליף סוללה שמספקת אנרגיה לשתלים כמו קוצבי לב, אך יש להחליפה מעת לעת. תנועות הגוף – פעימות הלב, תנועות הלסת, תנועות המעיים או כל תנועה אחרת המתרחשת בגוף באופן שוטף – יטענו את ההתקן בחשמל, שיפעיל את השתל לאורך זמן."

כעת, במסגרת מחקרי המשך, מבקשים החוקרים להבין את המנגנונים המולקולריים של החומר המהונדס, במטרה לממש את הפוטנציאל העצום הטמון בו, ולהפוך את התגלית המדעית לטכנולוגיה יישומית. בשלב זה הדגש הוא על פיתוח התקנים רפואיים, אך פרופ' גזית מדגיש כי "לחומרים פייזואלקטריים ידידותיים לסביבה, כמו זה שפיתחנו, יש פוטנציאל אדיר במגוון רחב של תחומים - מכיוון שהם מייצרים אנרגיה ירוקה באמצעות כוח מכני המופעל ממילא. כך לדוגמא, מכונית שנוסעת בכביש תוכל להדליק את תאורת הרחוב. כמו כן עשויים חומרים אלה להחליף חומרים פייזואלקטריים מכילי-עופרת שנמצאים כיום בשימוש נרחב, אך מעלים חשש לדליפה של המתכת הרעילה לסביבה."

המחקר הובל על ידי פרופ' יפתח יעקובי מבית הספר למדעי הצמח ואבטחת מזון בפקולטה למדעי החיים ופרופ' ליהי אדלר-אברמוביץ מבית הספר לרפואת שיניים בפקולטה לרפואה ומהמרכז לננו-מדע ולננוטכנולוגיה, ובוצע על ידי תלמידי המחקר ד"ר אורן בן-צבי, יצחק גרינברג וחוקרים נוספים מאוניברסיטת טקסס A&M וממכון מיגל למחקר מדעי בגליל. המאמר התפרסם בכתב העת היוקרתי ACS Nano. המחקר בוצע בתמיכת האקדמיה הלאומית למדע ומשרד האנרגיה.

הגנה מפני מגע ישיר עם החמצן

החוקרים בחרו להתמקד בחומר ביולוגי מוכר, פשוט ורב-שימושי – די-פפטיד,  כלומר חומר המורכב משתי חומצות אמינו, ששמו Fluorenylmethyloxycarbonyl-diphenylalanine, אשר ידוע כאבן בניין לננו-סיבים המרכיבים הידרוג'ל – ג'ל מבוסס-מים. במעבדתה של פרופ' ליהי אדלר-אברמוביץ, העוסקת בפיתוח ננו-חומרים, הוכנס האנזים הידרוגנאז לתוך תמיסה המכילה את אבני הבניין של ההידרוג'ל. אבני הבניין הסתדרו מעצמן בתהליך מהיר של הרכבה עצמית ובנו הידרוג'ל, שבו שזור האנזים הידרוגנז. תכונותיו של ההידרוג'ל החדש נבחנו במעבדה ובאמצעות סימולציה ממוחשבת.

"כשחושפים תמיסת הידרוגנאז לאוויר, החמצן מנטרל אותו תוך שניות בודדות. התהליך שביצענו במעבדה ארז למעשה את ההידרוגנאז בהידרוג'ל שכלא את מולקולות החמצן בתוכו," מסבירה פרופ׳ אדלר-אברמוביץ. "כך הגן ההידרוג'ל על ההידרוגנאז מפני מגע ישיר עם החמצן, והאנזים לא נוטרל מיד, אלא שרד במים במשך שעות. זו הפעם הראשונה שמתגלה חומר ביולוגי כה פשוט וקל לייצור שמסוגל להגן על חומרים רגישים מפני תהליכי חמצון."

"האפשרות להגן על האנזים הידרוגנאז מפני החמצן שבאוויר ובמים פותחת פתח לשימוש נרחב בהידרוגנאז להפקת דלק מימן – דבר שעשוי להגדיל משמעותית את תפוצת כלי הרכב המונעים במימן – הדלק הנקי ביותר בעולם. בנוסף, המנגנון והכלים שהתגלו במחקר עשויים לתמוך ביישומים רבים נוספים, בהם נדרשת הגנה על חומרים רגישים לחמצן, כגון: הגנה על מצננים במכוניות מפני חלודה, שינוע חמצן, אריזות מזון המשמרות טריות ועוד, "מסכם פרופ' יעקובי.