מיקרו- וננו-שחיינים: כיצד מתאפשרת תנועת רובוטים זעירים בגוף האדם?

כשלמד בבית הספר בעיר טשקנט (עיר הבירה של אוזבקיסטן, לשעבר חלק מברה"מ) גילה סקרנות לתחומי המדע השונים, והשתתף בחוגים מגוונים, מהיסטוריה וארכיאולוגיה – "אפילו השתתפתי בחפירות של המוזאון הלאומי המקומי ומטמון המטבעת שמצאנו היה מוצג במוזיאון," מספר פרופ' אלכס לישנסקי. לאחר מכן התעניין באסטרונומיה, כימיה, ופיסיקה, והחל בלימודים מעמיקים יותר של פיסיקה ומתמטיקה.

"לאחר סיום התיכון התקבלתי למכון הטכנולוגיה הכימית במוסקבה ע"ש מנדלייב וסיימתי שם שלוש שנות לימוד לפני שעליתי ארצה עם משפחתי ב-1991. ידעתי שהטכניון הוא ה-מקום להמשיך את הלימודים הגבוהים, ומיד לאחר סיום לימוד עברית באולפן א' ובאולפן קיץ באוניברסיטת חיפה (שהיה פשוט מעולה!) התקבלתי לטכניון כעתודאי ללא דרישות נוספות בלימוד השפה העברית, דבר שאינו טריוויאלי. אגב, באותה תקופה בתחילת שנות ה-90 למדו איתי מספר רב של סטודנטים לשעבר מהמכון במוסקבה, שאת חלקם הכרתי עוד שם. פרט פיקנטי נוסף הוא שאחד מחברי הסגל בפקולטה (פרופ' סלבה פרגר) גם סיים את לימודיו באותו המכון. אחרי שהשלמתי את התואר הראשון בהנדסה כימית בטכניון בשנת 1994, ולאחר שקיבלתי דחיית שרות נוספת מצה"ל, הספקתי לסיים גם את התואר השני בפקולטה בהנחייתו של פרופ' (כיום אמריטוס) אבינעם ניר. התגייסתי לשרות חובה ביחידת הניסויים של חיל חימוש (אט"ל), ובמקביל בזמן הפנוי המשכתי את המחקר שלי עם פרופ' ניר על בעיות דומות לאלה שחקרנו בתואר השני. לאחר סיום השרות המשכתי לדוקטורט בוועדה הבין-יחידתית למתמטיקה שימושית בטכניון בהנחיתם של פרופ' ניר ופרופ' לני פיסמן (גם מהפקולטה), שלאחריו התקבלתי לפוסט-דוקטורט במכון הטכנולוגי של קליפורניה (Caltech) בשנת 2002. חזרתי לפקולטה בשנת 2004 ופתחתי קבוצת מחקר משלי."

פרופ' אלכס לישנסקי. "ידעתי שהטכניון הוא ה-מקום להמשיך ללימודים גבוהים." בקבוצת המחקר של פרופ' לישנסקי עוסקים במחקר תיאורטי בתחום תופעות המעבר – זרימה, מעבר חומר ומעבר חום.

בקבוצת המחקר של פרופ' אלכס לישנסקי עוסקים במחקר תיאורטי בתחום תופעות המעבר – זרימה, מעבר חומר ומעבר חום. לאחרונה קבוצת המחקר מתמקדת במיקרו-זרימות (microfluidics) ומיקרו-"שחיינים" (micro/nanopropellers). שני התחומים האלו התקדמו מאוד לאחרונה לקראת שימושים פוטנציאליים רבים. ישנן חברות סטארט-אפ רבות שמקדמות טכנולוגיות המבוססות על מיקרו-זרימות לצורך בדיקות ביו-רפואיות מהירות ומדויקות, לדוגמה חברת PixCell medical שמפתחת מכשיר נייד לבדיקות דם מהירות ומדויקות מדגימה זעירה שמבוססת על טכנולוגיית viscoelastic focusing שפותחה בקבוצה בשיתוף פעולה עם חוקרים מהפקולטה להנדסה ביו-רפואית. חברה אחרת,  Bionaout, המפתחת מיקרו-שחיינים מגנטיים שיכולים לנוע בתוך גוף האדם, לדוגמא לצורך הובלת תרופות ופעולות רפואיות אחרות.

קבוצת המחקר של פרופ' לישנסקי משתפת פעולה עם קבוצות ניסיוניות בארץ ובחו"ל, ומספקת בסיס תיאורטי איתן להבנת התהליכים ולחיזוי התנהגויות בסקאלה קטנה. למשל עם קבוצתו של פרופ' Patrick Tabeling ממכון ESPCI (Paris Tech) בפריס שבצרפת בנושא מיקרו-זרימות, עם קבוצתו של פרופ' Peer Fischer ממכון Max Planck למערכות חכמות בשטוטגרט בגרמניה, עם פרופ' Ambarish Ghosh מ-Indian Institute of Science, וקבוצות רבות אחרות. 

בניגוד לציפיות, גילו החוקרים שהשוטון הדק בעל צורת הסליל שתוכנן על ידי הטבע אינו הצורה האופטימלית לתנועה בממדים קטנים, אלא דווקא צורה של קשת עבה עם קצוות מסובבים.

אחת מפריצות הדרך בהובלתו של פרופ' לישנסקי היא בנושא שחייה אופטימלית של ננו-רובוטים בגוף האדם. במחקר זה החוקרים שאלו מהי התצורה האופטימלית של רובוטים בסקאלה ננומטרית שמתוכננים "לשחות" בגוף האנושי עם אפליקציות ביו-רפואיות חשובות, ובניהן הובלת תרופות ממוקדות מטרה. בהשראת מנגנון הדחף המצוי בחיידקים ("שוטון" או flagellum) פיתחו החוקרים ספיראלות קטנות המונעות באמצעות שדה מגנטי משתנה. במחקר פותחה תיאוריה לחישוב מהירות התנועה האופטימלית של הננו-שחיינים המגנטיים בהתבסס על צורתם ועל התכונות המגנטיות שלהם. בניגוד לציפיות, גילו החוקרים שהשוטון הדק שתוכנן על ידי הטבע אינו הצורה האופטימלית לתנועה בסקאלות קטנות, אלא דווקא צורה של קשת עבה עם קצוות מסובבים. ממצאי המחקר פורסמו בכתב העת Science Robotics המוביל בתחום רובוטיקה. פרופ' לישנסקי מסביר שממצאי העבודה הזו יובילו לפיתוחים של ננו-רובוטים ומיקרו-רובוטים אפקטיביים יותר: "רוב החוקרים בתחום מניחים שצורת סליל (helix) המחקה מבנים ביולוגיים מוכרים היא האופטימלית. להפתעתנו, גילינו שהצורה האופטימלית היא דווקא סליל מסוג שונה, והצלחנו להדגים צורה יותר אפקטיבית."

תנועה א-סימטרית בזמן של מיקרו-צדפה. הפתיחה האיטית והסגירה המהירה של צדפות נשלטים על ידי שדה מגנטי חיצוני. התמונה לקוחה מפרסום בכתב העת Nature Communications.

בעבודה אחרת, הראו החוקרים כיצד ניתן לגרום למיקרו-שחיין בצורת צדפה (scallop) לשחות בנוזלים ביולוגיים אשר אינם ניוטוניים (כלומר, נוזלים שצמיגותם משתנה תחת מאמץ). החוקרים חזו באמצעות המודלים שפיתחו, שמיקרו-צדפה יכולה לנוע בנוזלים ביולוגיים בעזרת תנועות אסימטריות בזמן, לדוגמא פתיחה איטית של ה"צדפות" ולאחריה סגירה מהירה. מחקר זה הוביל למאמר חשוב בתחום שפורסם בכתב העת Nature Communications. לסטודנטים המתעניינים בנושא, פרופ' לישנסקי מציע ללמוד קורסים במודלים מתמטיים, שיטות מקורבות/נומריות, נושאים מתקדמים בזרימת פלואידים ותופעות מעבר על מנת לקבל רקע מתאים.