ד”ר אשר עידן – ננו טכנולוגיה – המהפכה שאחרי האינטרנט

הננו-טכנולוגיה טומנת בחובה אתגרים רבים. כיצד היא תשפיע על חיי היום יום שלנו, ומה אנשי המיחשוב, שהם הקהל של ההרצאה בכנס אורקל צריכים לדעת

ד”ר אשר עידן

מהפכת המחשב האישי ומהפכת האינטרנט, התאפשרו בשל טכנולוגיות המאפשרות לעבוד עם מכשירים, כמו רכיבי המעבדים, ברמת המיקרו (אלפית המילימטר). עתה הולכת ומתקרבת המהפכה הבאה בשל טכנולוגיות המאפשרות לעבוד עם מכשירים, כמו נימי דם ונוירונים מלאכותיים ברמת הננו) מיליונית המילימטר). אולי הגענו לשלב כניסת קרנות הון הסיכון לתחום הננוטכנולוגיה בצורה מסיבית, משום שלאחרונה ממשלת ארה”ב הקציבה ל”סוכנות האמריקאית לננוטכנולוגיה” סכום המתקרב למיליארד דולר.
מהפכת הננו עברה מהשלב הפילוסופי והמדעי לשלב הטכנולוגי ב- 1984, בשל שלושה אירועים חשובים:
1 ב- IBM הומצא המיקרוסקופ המאפשר לראות חלקיקי ננו בסדר גודל של אטום, וגם לפעול על חלקיקים כאלה.
2. פותח החומר הננוטכנולוגי הראשון, המבוסס על חלקיקים כדוריים בעלי מבנה משושה הקרויים “כדורי בקי”.
3. נכתב הספר הראשון שהציג את הפוטנציאל העסקי של הננוטכנולוגיה.
בשנים שלאחר מכן התגלגלו האירועים במהירות ואירוע רודף אירוע עד היום. הפעילות הננו טכנולוגית מתחלקת כיום לשלושה תחומים: ננן-מכשירים, ננו-חומרים, וננו-בקרה.
ננו-מכשירים או ננו-מוטור
המכשיר הננוטכנולוגי הבולט ביותר הוא הננו-מוטור או ננוטור. מהו ננוטור? גולת הכותרת של המאמצים הנעשים כיום בבניית מערכות ברמת הננו קרוי מ”מ (מיקרו-מכניקה. (ננוטור משלב חיישנים, מנועים ומעבדים דיגיטאליים, בסדרי גודל של מיליונית המילימטר, כמו מולקולה או אטום, העובדים כשהם משולבים זה בזה, לדוגמא:
• המפגש בטבע בין תא הזרע לביצית יוצר ננוטור המייצר בסוף אורגניזם.
• חללית בגודל ציפור, הנשלחת למאדים ומכילה את כל מה שמכילה חללית של היום בגודל בניין רב-קומתי, היא ננוטור שהוצאות הדלק שלו לנסיעה למאדים הן כמעט כמו הוצאות הדלק של מכונית לנסיעה לעיר הסמוכה.
• “משפץ גוף” בגודל חיידק החודר לגוף האדם ומתקן בו נזקים כגון: סתימות בעורקים, השמדת אזורים נגועים בחיידקים, ניקוי רעלים ועוד, הוא ננוטור.

ננוטור הוא לא רק מנוע זעיר מאוד וזול מאוד, הוא גם חכם מאוד. מוטור מכאני רגיל מכיל חלקים מחומרים טיפשים. החוכמה של המנוע המכאני מצויה במפעיל האנושי שלו. לעומת זאת, החוכמה של הננוטור נמצאת בכל החלקים שלו, בדומה לחוכמה המצויה בכל חלקי האורגניזם, בד.נ.א. ובנוירונים. מטוס או מכונית המכילים ננוטורים הם מכשירים מודולאריים המשנים את צורתם בהתאם לתנאי הנסיעה או בהתאם לתנאי החנייה.

מזה שלוש שנים יש בכריות האוויר שבמכונית ננומוטורים מהדור הראשון, “שיודעים לחוש” את עוצמת המכה הדרושה לשחרור את כרית האוויר.

כיום נעשים ניסויים ראשונים בננומוטורים שמתחברים בעצמם זה לזה ויוצרים רשתות תקשורת ספונטאניות בדומה למושבות האלמוגים. ניסויים בננו-רשתות תקשורת אלחוטיות נעשים כבר כיום בחברות המחשבים והתקשורת לוסנט וסימנס. באוניברסיטה של קליפורניה עובדים כיום על רשת מחשבים אלחוטית שהשרת שלה הוא בגודל של כרטיס אשראי. תוך עשר שנים, כל אדם שברשותו מחשב בגודל כרטיס אשראי יוכל לנוע במרחב המכיל מודמים ושרתים אלחוטיים שיאפשרו לו להעביר קול, ווידאו ונתונים מכל נקודה לכל נקודה על פני כדור הארץ.

ננו-חומרים על בסיס ננו-צינוריות פחמן
כפי שגולת הכותרת של הננו-מכשירים הוא הננו-טור, כך גולת הכותרת של הננו-חומרים היא הננו-צינורית Nano Tube, העשויה מפחמן. ננו-צינורית יכולה לשמש לסיבי כוח (מעליות לחלל), לסיבי תקשורת (במהירות העברה של די.וי.די. בשנייה), ולתחליף מלאכותי לנימי דם ולנוירונים.

במעבדות בל בארה”ב, כבר הצליחו לבנות שבבים שבונים את עצמם מתוך חומר גלם נתון. באוניברסיטת רוצ’סטר כבר הצליחו לבנות מולקולות פולימריות שיוצרות מבנים מתוכננים מראש בצורות כמו גליל או טבעת. רכיכות בונות צדפים שהם מבנים החזקים מכל מה שאדם יודע לבנות. עכבישים בונים קורים שהם חוטים החזקים מכל החוטים שבני אדם יודעים לבנות. מדוע?

משום שהבנייה האנושית עד היום הייתה בנייה מכאנית, בעוד שהבנייה בעולם הביולוגי היא בנייה אורגאנית. בנייה מכאנית היא הצמדת חלקים ברמת המילימטר או גדולים מכך, זה לזה. אבני היסוד המולקולאריות או האטומיות שמהם היו בנויים החלקים הנ”ל, נותרו ללא שינוי. לעומת זאת, בבנייה אורגאנית, הבנייה מתחילה “מלמטה למעלה”, דהיינו החלקים נבנים אטום אחר אטום, או מולקולה אחר מולקולה. כאן מדובר בהצמדת חלקים ברמת המיקרומטר (אלפית האטום) או הננומטר (מיליונית האטום))

מהפכת המחשב האישי והאינטרנט של 1993-1980 נובעת מהמהפכה של שבבי המחשב ברמת המיקרו. מה אם כך טומנת בחובה המהפכה ברמת הננו? טכנולוגיית בניית שבבי המחשב ברמת המיקרו מגיעה לקצה גבול יכולתה. השלב הבא יהיה שבבי מחשבים וציוד תקשורת אחר שייבנו ברמת הננו. שבבים שייבנו מולקולה ליד מולקולה או אטום ליד אטום. כבר כיום, משתמשים הביולוגים המולקולאריים בטכנולוגיות ברמת הננו, כשהם מבצעים שינויים בגנים האנושיים. לכן יתכן שאחד מהכיוונים בפיתוח שבבי ננו יהיה שבבי ד.נ.א. בנוסף לכך, אחד מכיווני הפיתוח של חומרים ומבנים היפר-חזקים קשור לביולוגיה המולקולארית על ידי כך שמדעני חומרים מנסים ללמוד כיום את מנגנוני “המפעלים” של בעלי חיים כמו עכבישים (סיבים היפר-חזקים) וצדפות (מבנים היפר-חזקים).

ננו-בקרה וננו-מעקב על בסיס ננו-אבק
מדובר בגרגירים בגודל מילימטרי. כל גרגיר מכילי חיישן ומערכת תקשורת. החיישן יכול למדוד טמפרטורה, מהירות, לחות, או לחוש ריח, ולתרגם את “הנתונים החושיים” הללו למידע דיגיטאלי. מידע זה מועבר ברשת אלחוטית מהירה של חיישנים בין גרגיר לגרגיר, או בין כל הגרגירים ל”גרגיר-שרת” המרכז את המידע ומעבירו למרכז הבקרה או למשתמש האנושי.

רשתות של ננו-חיישנים יכולות לזהות אויב בשדה הקרב, טרוריסטים באזורים רגישים. הם יכולים לזהות חוסר בלחות בגידולים חקלאיים, רעידות אדמה קלות המנבאות רעידות אדמה חזקות ומסוכנות, דליפה של חומרים מסוכנים וכדומה.

הבסיס התיאורטי של הננוטכנולוגיה
בשנות ה- 50 העלה הפיסיקאי פיינמן את הרעיון בדבר בניית חומרים חדשים באמצעות הרכבתם מהבסיס אטום אחר אטום. ב- 1984 דרקסלר בספרו “מנועי יצירה” הניח את היסודות של תחום חדש ננוטכנולוגיה, שפירושו טכנולוגיה של יחידות זעירות ברמת תת-מיקרו (מולקולות ואטומים). הננוטכנולוגיה היא מעין צומת בין הטכנולוגיה של השבבים לבין הטכנולוגיה הגנטית של הד.נ.א. הד.נ.א הוא ננו-מכונה טבעית והשבב הוא ננו-מכונה מלאכותית. המחקר והייצור של שבבי סיליקון והמחקר והייצור של תרופות גנטיות בימינו כבר מספקים את הידע הננוטכנולוגי הבסיסי. בעתיד ייתכן מיזוג של הננוטכנולוגיה הטבעית עם הננוטכנולוגיה המלאכותית. מיזוג זה יאפשר: מעבדי מחשבים לא מסיליקון אלא מד.נ.א, ננוטורים לשיפוץ תאים וגנים וכו’.

הננוטכנולוגיה היא חלק מפרדיגמת-על מחשבתית חדשה הכוללת: מתמטיקה פראקטלית, פיסיקה של כאוס, פילוסופיה אורגניציסטית וביולוגיה מולקולארית.

מתמטיקה פראקטלית: זוהי מתמטיקה של צורות לא-שלמות, צורות שבורות (פראקטור באנגלית שבר). מדובר למשל בריבוע שבנוי משברי ריבוע ועיגול שבנוי משברי עיגולים. נהר בטבע בנוי מנהרות קטנים, נחלים, ואדיות וכו’ עד אינסוף. כך גם כלי הדם, רשתות העצבים, ענפי העץ ועוד. הצורות הפראקטליות הן תוצאה של צורת מאקרו הנוצרת מצורות מיקרו גרעין הדומות לה. למכשירים ננוטכנולוגיים יש צורות פראקטליות משום שכל מכשיר בנוי ממכשירונים זעירים הדומים לו.

פיסיקה כאוטית: בגלל צורת המיקרו החוזרת על עצמה ויוצרת צורת מאקרו, שינוי ביחידת מיקרו אחת מתפשט במהירות לכל יחידות המיקרו הדומות לה וכך משנה את כל צורת המאקרו. שינוי קיצוני זה נתפס כ”כאוס”. “אפקט הפרפר” המפורסם הוא דוגמה לכך: אם משק של כנפי פרפר אחד ביפן משנה את האיזון המולקולרי של ענן ביפאן הדבר יכול לגרום להוריקן מיפאן עד ארה”ב.

פילוסופיה אורגניציסטית או רעיון המונדה. רעיון זה הועלה במאה ה- 18 על ידי לייבניץ ממייסדי החשבון של הגדלים השואפים לאפס, חשבון אינטיפינסימאלי, ומראשוני האנשים שניסו לבנות מחשב. נדמיין ננומכונה בגודל חיידק המכילה ננומחשב בגודל של וירוס. נמשיך לדמיין שננומכונה חכמה זו תשכפל עצמה שוב ושוב כמו שהבצית המופרית על ידי הזרע משכפלת את עצמה. משכפול זה נקבל חומר חכם, המורכב מאלפי ננומכונות ממוחשבות. אם אלפי הננומכונות הממוחשבות גם יקושרו ביניהן באמצעות אינטרנט כלשהוא הרי שנקבל מכונות חכמות עם מוחות חכמים. אלא שאז הן כבר לא תהינה מכונות, אלא אולי אורגניזמים, או אולי מוחות. יחידות יסוד לא חומריות הן מונדות.

ביולוגיה גנומית או רעיון השיכפול העצמי. רעיון זה הועלה על ידי אבי המחשב הדיגיטאלי פון נוימאן בשנת 1951. לאחר שנתיים הראו ווטסון וקריק מפענחי הד.נ.א שהוא פועל על פי עיקרון השכפול העצמי.

ההשפעות הכלכליות, הפסיכולוגיות, והחברתיות, של הננוטכנולוגיה
מקלוהן הבין כבר ב- 1962 שהדפוס היה טכנולוגיית ייצור סדרתי של מידע שקדם למכונת הקיטור שהיא טכנולוגיית ייצור סדרתי של חומר. כך האינטרנט הוא טכנולוגיה דיגיטאלית של מידע שקדמה לייצור הננוטכנולוגי שהוא טכנולוגיה דיגיטאלית של חומר.

לדבר יש משמעות כפולה: ראשית, הננוטכנולוגיה תאפשר ייצור והעברה של חומרים ומכשירים במהירויות ובקלות הדומים למהירות ולקלות שבה האינטרנט מעבירה מידע ויישומים. שנית, היות וחומר הגלם של החומרים והמוצרים הננוטכנולוגיים הוא אטומים, הרי שחומר הגלם הוא אינסופי ומצוי בכל מקום. למשל, לא צריך לשלוח מכאן תחנה למאדים. מספיק לשלוח בנאי ננוטכנולוגי בגודל חיידק וכשהבנאי יגיע למאדים הוא יבנה מהאטומים שעל המאדים את המושבה כולה. זאת בדיוק כמו שתא זרע ובצית בונים אדם שלם או פיל שלם, או בדומה לספר שלם שנמצא בארה”ב ובאמצעות האינטרנט ניתן לשכפלו בישראל על גבי נייר מדפסת המצוייה כאן, תוך מספר דקות. במקרה זה נייר המדפסת הוא חומר הגלם וה”בנאי” הוא סוכן תוכנה מסוים.

כך גם בננו טכנולוגיה תהיה לנו “מדפסת של חומרים”. למשל לא יהיה מקרר אלא “מדפסת אוכל” במקום שהמדפסת של היום מכילה מחסנית נייר ומחסנית דיו, “מדפסת המזון” תכיל מחסנית של חול ים. המחשב שלנו יאחסן או יוריד מהאינטרנט רק נוסחאות. מתוך הנוסחאות המולקולאריות המחשב יארגן חומרים שונים לפי בקשתנו: גלידה, סלט, סטייק וכו.

מדובר אם כן במהפכה גדולה יותר ודראסטית יותר מהמהפכה החקלאית מלפני אלפי שנים, מהמהפכה התעשייתית מלפני מאות שנים ומהמהפכה האלקטרונית מלפני עשרות שנים. כפי שלפני 20 שנה היה חסרון במידע והיום יש עודף במידע בגלל האינטרנט, כך אנו צפויים לעידן של עודף במזון ובחומרי גלם. אנו עוברים מעידן החוסר והצרכים לעידן שהפילוסוף ניטשה קרא לו “עידן הרצון לעוצמה”. בעידן זה האדם גם ישדרג את עצמו ל”סופר-מן” בקליניקה הסמוכה של ניתוחים פלסטיים מהאף ועד למוח. לשינוי זה יש משמעויות חברתיות, תרבותיות, חינוכיות ופוליטיות. אולי כפי שהתפתחה הננוטכנולוגיה, עכשיו תתפתח ננו-מציאות Nano-Reality.

נושאים אלו ואחרים יוצגו במסגרת שבוע אורקל ה-11 אשר יתקיים ב-7 בנובמבר, במלון דיוויד אינטרקונטיננטל בתל-אביב. שבוע אורקל הוא כנס המחשוב הגדול בישראל – בשנה שעברה, כאשר חגג עשור לקיומו, השתתפו ולמדו בו יותר מ- 8,000 איש, ביותר מ- 150 סמינרים ובאירועים שנמשכו שבוע שלם.