סיקור מקיף

פופיולר סיינס/האם שרירים מלאכותיים יחזקו אותנו?

בתחרות הורדת ידיים בין נערה בת 17 לבין רובוט נחשפים חומרים חדשים שיכולים להפעיל מכונות – ואולי יום אחד גם גפיים ואיברים אנושיים אחרים.

פופיולר סיינס

פלסן מנצחת את רובוט הסטודנטים
פלסן מנצחת את רובוט הסטודנטים

בהיסטוריה של התחרויות המאורגנות להורדת ידיים טרם נראתה תחרות כזו. מאז שנת 1952, בה נערכה התחרות הרשמית הראשונה של הורדת הידיים בקליפורניה – המתמודדים הם בדרך כלל גברים מגודלים עם שרירי זרוע תפוחים במיוחד. אולם, בתחרות הזו התמקדו מצלמות הטלוויזיה דווקא בנערה דקיקה. עצם השתתפותה של פאנה פלסן היא אירוע חריג בענף ספורט זה. אולם, היריב של פאנה היה חריג אף יותר. ככל שהתקרב מועד תחילת התחרות והקהל החל להיאסף באולם, שלחה פלסן מבטים מבוישים בעיתונאים הרבים שהתגודדו סביבה. לאחר מכן ניגשה לשולחן הורדת הידיים התקני, הצמידה את מרפקה לשולחן ואחזה בכף ידו של יריבה – זרוע רובוטית פלסטית בצבע לבן.
תחרות הורדת הידיים הראשונה מאז ומעולם בין אדם לרובוט, המתקיימת בסאן-דייגו, מסמנת ציון דרך – כפי שיוזם התחרות, יוסף בר-כהן, פיזיקאי של NASA, ציין בהתלהבות בפני כל מי שרק היה מוכן לשמוע. זאת למרות שהיריב של פלסן נראה כמו חייל באולינג מגודל יותר מאשר כמו זרוע אנושית של ממש. החשיבות של האירוע נעוצה במקור התנועה של הזרוע. הזרוע מולה עמדה פלסן להתחרות, ושתי זרועות נוספות שהמתינו לתורן, לא כללו אף גלגל שיניים, גל הינע, זיזים או חלקים נעים אחרים ממתכת – בניגוד למגבי שמשות, כוננים קשיחים, גפיים מלאכותיות ומיליוני מכשירים אחרים על פני כדור הארץ שמצוידים במנועים חשמליים. התנועה של הזרוע שניצבה על השולחן מול פלסן מקורה אך ורק בפלסטיק.
החומר שמניע את הזרוע מוכר רק למעטים. הוא קרוי פולימר אלקטרו-אקטיבי ונהנה ממאפיין ייחודי: כשמגרים אותו באמצעים חשמליים או כימיים הוא נע – מתרחב ומתכווץ, מסתלסל ומתפתל, דוחף ומושך. החומר קפיצי, עמיד, מהיר, רב עוצמה וחרישי. מאחר ואלו גם המאפיינים של שרירי השלד של בני האדם, מכונה הפולימר האלקטרו-אקטיבי "שריר מלאכותי". חסידי השרירים המלאכותיים – וביניהם יוסף בר-כהן – רואים בחזונם מגוון רחב של מכשירים זולים, קלים, רב תכליתיים ורבי עוצמה שיוצרים תנועה לשימושים צבאיים, חלליים ורפואיים. מדענים צופים שחומרים אלה יוכלו להחליף בסופו של דבר כמחצית ממיליארד המנועים החשמליים שפועלים כיום בכדור הארץ. כבר היום מפתחים מהנדסים מכשירים שמונעים בשרירים מלאכותיים – בהם מגן לברך שמונע פציעות, משאבות זעירות שמזינות תרופות ורובוטים שזוחלים כנחשים, עפים כציפורים או מדלגים כחגבים.

השאיפות של המדענים מרחיקות לכת הרבה יותר – הם שואפים להחליף לחלוטין מכשירים אלה, מסביר בר-כהן: "זה החומר הקרוב ביותר לשריר האנושי שנוצר אי פעם". החוקרים כבר החלו לפתח מכשירים רפואיים שיושתלו בגוף האדם או יוצמדו אליו, דוגמת תותבות מלאכותיות שפועלות בכוח השרירים, משאבות שמסייעות ללב חולה ודיאפרגמה שמסייעת לנשימה. בעתיד הרחוק יותר, הרבה יותר – מדברים המדענים על מתקנים פלסטיים שיחליפו או יחזקו כל שריר בגוף האדם.
לפני שש שנים הציב בר-כהן אתגר: לבנות זרוע רובוטית אנושית שתוכל להביס את המתמודד החזק ביותר בעולם בהורדת ידיים. אולם, כדי לזרז את העניינים, החליט בר-כהן להקל על הדרישות – ובשנת 2003 הכריז שדי יהיה להביס תלמידת תיכון. חוקי התחרות קובעים, בין השאר, ש"אסור לרובוטים לבצע דברים מרתיעים" – דוגמת הבהוב באורות מסנוורים, רעידות או השמעה של רעשים מעצבנים. כדי לזכות, על הזרוע הרובוטית לחזור למצבה הראשוני לאחר שהביסה את המתחרה האנושי. כעת, בוועידה השנתית העוסקת בשרירים מלאכותיים בסאן דייגו, טוענים שלושה צוותים שהצליחו לעמוד במשימה. המעמד מרגש מאוד את בר-כהן: "זה מדהים שהצלחנו להגיע להישגים כאלה!" הוא מתלהב.
דברו עם מהנדס ביולוגיה על שרירים, ותשמעו שבחים רבים ומפרט טכני עתיר מאפיינים. בראש ובראשונה מדובר בכוח. שריר הירך מסוגל להפעיל עוצמה של 16 ק"ג על שטח של אינץ' מרובע – די כדי לנפץ לוח מעץ אורן. מעבר לכך, מדובר במומנט – השיעור בו מופעל הכוח ביחס למרחק. בדומה למכוניות, כוח רב (המתבטא בהספק גבוה) מאפשר להגיע למהירות גבוהה – ושרירי השלד יכולים לפתח הספק גבוה יותר ביחס למשקלם מזה של מנוע מכונית. השרירים פועלים גם כבלמים, קפיצים ובולמי זעזועים, ומשום כך, בניגוד לרובוטים טיפוסיים, אנו יכולים לרוץ, לדלג ולנחות ברכות. ולבסוף, כפי שציין ביולוג בריטי מפוכח בפני חדר מלא מהנדסים – "שרירים הם טעימים". שרירים מלאכותיים לעולם לא יוכלו להתחרות בטעמו של סטייק עסיסי, אך הם מסוגלים לחקות בהצלחה רבה את שאר המאפיינים של השרירים האנושיים. על מנת ליצור כוח לפי דרישה, על החומר לשנות את צורתו – בדומה לרצועת גומי – בעקבות הפעלת מתג. הוא צריך להתכווץ ולהתרחב בשיעור שיספיק להזזת חפץ למרחק סביר. ועליו להיות קשיח דיו על מנת ליצור מספיק כוח. רובוט שיוכל להתמודד ביעילות בתחרות של הורדת ידיים צריך להשתוות לעוצמה של שרירי הטורסו האנושי תוך כדי סיבוב, בדומה לזרוע האנושית – ולהתאים את מינון הכוח למצב. בכל אחת משלוש הזרועות שיתמודדו כנגד פלסן יושם סוג שונה של שריר מלאכותי, כך שהתחרות תשמש גם כמבחן לטכנולוגיות המבטיחות ביותר בתחום.

הצוות השוויצרי

והזרוע שיצרו
את היריב הראשון של פלסן בנה מוחסן שאהינפור מאנוויירומנטל רובוטס. הוא נבנה מ- IPMC, חומר שמסתפק במתח נמוך אך תנועתו איטית יחסית. ניתן לכופף IPMC ולעצב ממנו את הצורה החזקה ביותר. מוחסן שאהינפור, המתכנן של חייל הבאולינג המגודל וגם היריב הראשון של פלסן, מנהל את המכון לחקר השרירים המלאכותיים באוניברסיטה של ניו מכסיקו ואחראי על המחקר ב-Environmental Robots. ה-IPMC של שאהניפור מורכב משתי אלקטרודות שעשויות מרדידי מתכת וכורכות ביניהן פלסטיק רטוב, דמוי טפלון שטבול בליתיום-יון. מתח של 12 וולט בלבד – בדומה למצבר של מכונית – גורם לליתיום יון, שטעון במטען חיובי, לעבור לרדיד בעל המטען השלילי, להצטבר בצד זה ולכופף את ה-IPMC. חומר זה בטוח יותר מהחומרים הגמישים שאינם מוליכים חשמל משום שהוא עושה שימוש במתח נמוך. הוא גם קשיח יותר, מה שמאפשר לכל מכשיר להפעיל כוח רב יותר. אולם, הפעולה של חומר זה איטית יותר משום שהוא מופעל על ידי יונים מגושמים ולא באמצעות אלקטרונים זריזים.
ההתמודדות בין פלסן לבין היריב הראשון שלה החלה. בר-כהן מבקש מהקהל שקט במבטא ישראלי כבד. אלוף הורדת ידיים שהגיע כדי לצפות בתחרות התנדב לסייע לפלסן לשפר את הטכניקה שלה. הוא כורע לצידה בפינת השולחן. "הישארי צמודה. הדקי את אצבעותייך" הוא מורה לה. הרובוט אינו מתרשם. פלסן, מתוחה, מצליחה לעטות חיוך מלאכותי. "חזק יותר" דוחק בה המאמן. פניה של פלסן נחושים והיא מתאמצת להביס את הזרוע הרובוטית. בתום קרב שנמשך 26 שניות היא מנצחת את הזרוע הרובוטית. היא מחייכת חיוך רחב לקול תשואות הקהל.
המועמד המבטיח ביותר לניצחון הוא דווקא המתמודד השני מול פלסן – אותו בנה צוות מהנדסים של הממשלה השווייצרית. זרוע זו מונעת על ידי חומרים גמישים שאינם מוליכים חשמל – יריעות שעשויות כסנדוויץ' עוטפות אלקטרודות שמבוססות על פחמן וחומר פלסטי רך דוגמת סיליקון או אקריליק. החשמל גורם לאלקטרודות להימשך זו לזו תוך שהן לוחצות על החומר הפלסטי, שמסוגל להתרחב עד פי שלוש משטחו הטבעי תוך מחצית השנייה. מתקנים מסוג זה מסוגלים ליצור כוח חזק בשיעור של עד פי 30 משרירים אנושיים בעלי משקל דומה. אולם, הם זקוקים למתח של כמה אלפי וולט כדי לפעול – ומשום כך קשה להפעיל אותם בגוף האנושי או סמוך אליו.

מוחסן שאהינפור

וזרוע הפולימר האלקטרו-אקטיבי
גאבור קובאקס, המהנדס הראשי של הצוות השוויצרי, בונה חומרים גמישים שאינם מוליכים חשמל מזה חמש שנים. לאחר שלמדו את עקרונות הביו-מכאניקה החליטו קובאקס ואנשי צוותו, שעובדים במעבדה ממשלתית, לדמות את שרירי הטורסו המופעלים בהורדת ידיים באמצעות סיבוב הרובוט כולו מסביב לציר שמייצג את מפרק הכתף, תוך אחיזה איתנה של ה"זרוע". פעולת המכשיר מתבססת על מתיחה של יריעת סיליקון והתזת ציפוי כימי על שני צידיה. לאחר מכן נכרכת היריעה בעלת שלוש השכבות – החומר הגמיש שאינו מוליך חשמל – מסביב לליבת מתכת קפיצית. על מנת להפיק את מרב העוצמה מהמכשיר השקיע הצוות חודשים ארוכים בניסוי נוסחאות כימיות שונות עבור הציפוי.
היריב השלישי שיתמודד מול פלסן נחשב לבעל הסיכויים המועטים ביותר. צוות של סטודנטים מהאוניברסיטה הטכנית של וירג'יניה תפר בלילות ארוכים ללא שינה ובתקציב מצומצם אריג בעל מרקם של ג'לי שמתכווץ כאשר מוסיפים חומצה. הסטודנטים לא הצליחו למצוא אף גוף שיסכים לתרום לפרויקט שעוסק בשרירים מלאכותיים, ולכן הם בנו אותו בכוחות עצמם. היצירה פועלת לאט אך מתכווצת בשיעור ניכר – עד 40 אחוזים מאורכה – והעובדה שהיא אינה זקוקה כלל לחשמל היא יתרון נוסף. שלושת הסטודנטים עבדו במשך חודשים, בלילות ובסופי שבוע, במעבדה ובנו את הזרוע הרובוטית במסגרת פרויקט לתואר. במשך שלוש שנים הם למדו את המכאניקה של ניוטון, מכאניקה של חומרים מוצקים וביו-מכאניקה, ובילו יחדיו בזמנם הפנוי. הם קראו ידיעה על התחרות והשתעשעו ברעיון להצטרף. הם פנו לבר-כהן בדואר האלקטרוני, והוא השיב להם "לכו על זה". והם הלכו.
השלושה החליטו לעשות שימוש בשריר מלאכותי המכונה פולי-אקרילו-ניטריל, שהוא ג'ל מחוזק בסיבים. לאחר שכילו את כל התקציב שעמד לרשותם – בסך 800$ – הם ביקשו, התחננו והצליחו לגייס רכיבים וסיוע. מאחר והם לא יכולים היו להרשות לעצמם לרכוש את החומר, הם ייצרו אותו בעצמם מסיבי טקסטיל שתרמה היצרנית – Mitsubishi Rayon. יצרנית של תותבות תרמה מרפק מתכתי עבור הזרוע, ומוסך לפחחות צבע אותה חינם בצבעי המכון הטכנולוגי – חום-ערמוני וכתום. המרקם מזכיר פיסה של בשר נא והמראה הוא של חילזון ענק ללא קונכייה. לצורך התחרות יוצב השריר במיכל פלקסיגלאס ומשאבה של מגבים לרכב תתיז עליו חומצה. קצוות השריר ייקשרו לזרוע בחוט של חכת דייג שעומד במשקל של כ-23 ק"ג על מנת לבצע את הורדת הידיים. אם הכל יפעל כשורה, תחדור החומצה לג'ל, תנטרל את היחידות הטעונות בפלסטיק ותגרום לחומר להתכווץ. הסטודנטים יודעים שהשריר מספיק חזק לצורך ביצוע המשימה, אך הם לא הספיקו לבחון את התצורה הסופית.

נותרו עוד שני מתמודדים…

המהנדסים השווייצרים מהדקים את הזרוע שבנו לשולחן. הם מחברים את הכבל השחור והכבל האדום שמבצבצים מהתיבה לשורה של מקורות כוח, ופלסן עוטה כפפת גומי עבה למען הבטיחות. בר-כהן צועד לעבר השולחן, אוחז בידו מיקרופון וקורא: "היא אינה נראית כמו זרוע, היא אינה מרגישה כמו זרוע, אבל זו אכן זרוע!". הוא סופר עד שלוש והתיבה השחורה מתחילה להשמיע זמזום קל ולהעלות ריח של גומי שרוף. בעצת האלוף עושה הפעם פלסן שימוש בגופה – ומכניעה את הזרוע הרובוטית תוך ארבע שניות. הקהל מצחקק. הצוות השווייצרי, שלא הספיק לבחון את יצירתו עד תום, מביט קדימה בפנים מאובנות.

כעת מגיע תורה של קבוצת הסטודנטים. "עכשיו מתחיל להיות מעניין" מכריז בר-כהן. פלסן עוטה משקפי מגן ואוחזת בזרוע הרובוטית. היא לוחצת ומפילה את הזרוע לשולחן תוך שלוש שניות – ללא שום רמז להתנגדות מצד הזרוע. מספר דקות לאחר מכן, בתוך מיכל הפלקסיגלאס, מתחיל השריר להתכווץ.
תחרות הורדת הידיים הראשונה מאז ומעולם בין אדם לרובוט הסתיימה במפלה ניצחת של הרובוטים. נערה שמתארת את עצמה כ"לא חזקה במיוחד" הכניעה כמה מהשרירים המלאכותיים המתקדמים ביותר שהצליחו המהנדסים ליצור. אולם, החוקרים אינם מרימים ידיים. קובאקס ממשיך לייצר יריעות של חומרים גמישים שאינם מוליכים חשמל, אשר מקבלים צורות מורכבות לפי פקודה. מחומרים אלה ניתן, למשל, ליצור כנפי מטוס שמשנות את צורתן תוך כדי טיסה, או לחקות סנפירי כריש שיוכלו להניע צוללות. החברה של שאהניפור מפתחת שני מכשירים רפואיים: רצועה מתכווננת שתתקן קוצר ראייה באמצעות לחיצה על גלגל העין במטרה לשנות את הקימור שלו ואת אורכו, ומכשיר שיסייע ללבבות פגועים להזרים דם.

"לא ניצחנו" מודה בר-כהן, ומוסיף: "ל-26 שניות אין משמעות רבה". אולם, הוא מוסיף וקולו עולה בהתרגשות – "גם הטיסה הראשונה נמשכה 12 שניות בלבד. בעוד מאה שנה, מי יודע להיכן נגיע?"

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר. שדות החובה מסומנים *

דילוג לתוכן