מדע בעידן החוויה – כך חדשנות מדעית תופסת תאוצה

המדע הופך כיום למאתגר מאי פעם. חדשנות הופכת למורכבת יותר ככל שמדענים מעמיקים ומרחיבים את תחומי העיסוק שלהם. מדענים חייבים להסיק מסקנות מהררי נתונים, ולספק פתרונות לשאלות מורכבות ביותר, זאת על אף תקציבים מצטמקים ולוחות זמנים אגרסיביים יותר.

מאת אלי בויקיס, מנכ”ל דאסו סיסטמס ישראל

המדע הופך כיום למאתגר מאי פעם. חדשנות הופכת למורכבת יותר ככל שמדענים מעמיקים ומרחיבים את תחומי העיסוק שלהם. מדענים חייבים להסיק מסקנות מהררי נתונים, ולספק פתרונות לשאלות מורכבות ביותר, זאת על אף תקציבים מצטמקים ולוחות זמנים אגרסיביים יותר. כאשר אתגרים הם גדולים והמשאבים מוגבלים, חוסר יעילות אינו אפשרות.

למזלנו, כלים וטכניקות דיגיטליות חדשים מסייעים למדענים לחקור את העולם המולקולרי ולהבין טוב יותר את העולם המיקרוסקופי, ומובילים אותם לעידן חדש של חדשנות. מאטומים עד למטוסים, תכנון בהיקפים נרחבים ועד תרופות, אנו נמצאים בעידן בו אינטגרציה של מידול וסימולציה של ביולוגיה, כימיה וחומרים, מספקת למדענים את התמיכה לה הם זקוקים כדי לקדם תגליות וידע. מחקר מדעי כבר אינו מוגבל על ידי הפיסיקה של העולם האמיתי.

ביג דאטה, הפחתת עלויות הודות למידול דיגיטלי, ומחשוב מהיר, מאפשרים להמציא מחדש את הדרך בה מדענים מבצעים מחקר. בנוסף, על שאלות מחקר שבעבר היו מעלים אותן ועובדים עליהן בבידוד, ניתן כעת לעבוד עם עמיתים בתוך התחום ומתחומים שונים דרך פלטפורמות שיתופיות מבוססות-ענן. בכך ניתן להפיל חומות של מאגרים נפרדים של נתונים ומומחיות, ולספק תשתית אחידה לאיסוף ושיתוף ידע.

גם בדרך בה ידע זה משותף חל שינוי. השימוש במודלים של תלת ממד (3D), מציאות מועשרת ומציאות וירטואלית, מאפשר לאחרים לחוות בפועל את המדע ממקור ראשון, במקום דרך טקסטים, טבלאות וגרפים. זה נכון בין אם המדע עוסק במבנה של ננו חלקיק, התפקוד של אבר בגוף האדם, האקלים המשתנה של כדור הארץ, או סודות היקום המתגלים בכוכבים מרוחקים.

אחד השינויים המהותיים בעולם המדע הוא ההתמזגות של עולם המיקרו והמקרו – החלקיקים והעולם היומיומי. חוויות יומיומיות מתוארות לעתים קרובות דרך עדשת מקרו. עם זאת קיים עולם מיקרו נסתר אשר תומך בחוויות חיים אלה. פיתוח מדעי דיגיטלי מאפשר כעת למדענים, מהנדסים ומפתחי מוצרים, לרתום את עולם המקרו והמיקרו במקביל.

את התוצאות של שינויים אלה ניתן לראות בתחום הנדסת החומרים. בעבר, פיתוח של חומרים חדשים נמשך שנים משלב הגילוי ועד לזמינות המסחרית, וחומרים אלה נמצאו בדרך כלל בטבע. אבל הביקוש לחדשנות מהירה ולמוצרים עם ביצועים טובים יותר, עלה מעבר למעטפת הביצועים של חומרים קיימים. המדע הגיב על ידי פיתוח חומרים מהונדסים, עבורם ניתן לסנתז מבנים ומאפייני קאוונטום כדי לעמוד ביעדי ביצועים מגוונים ברמת המקרו. היום ניתן לתכנן פיתוח חומרים חדשים בהתאם ליישום שלהם, תוך סימולציה ואנליטיקה לצרכי חיזוי, כדי להבטיח פעולה רצויה. בנוסף, תכנון והנדסה של מוצרים דורש יכולות, כשרון ומחשבה של מומחים רבים, שכולם צריכים לתקשר באופן יעיל כדי להבטיח שכולם עובדים על אותו מערך של ידע ולקראת אותם יעדים, והדיגיטציה מאפשרת זאת.

פתרון BIOVIA של דאסו סיסטמס משפר את הנדסת החומרים, בכך שהוא מאפשר למשתמשי קצה לתכנן ולבחור מולקולות, ביולוגיה וחומרים מסוימים, ולשפר את היישום שלהם באמצעות מידול סימולציה, ואנליטיקה לצרכי חיזוי, כדי להפיק ציפויים חכמים, חומרים מרוכבים קלים וחזקים יותר, ופולימרים ידידותיים לסביבה. הטכנולוגיה מתקרבת במהירות לנקודת שימוש בחומר כמשתנה ולא כקבוע.

פורצים את גבולות התכנון

פיתוח מוצרים הגיע לנקודה קריטית בה מתרחש סחף לכיוון חדש – המתרחש מחוץ לעולם התוכנה – אשר משפיע על הדרך בה אנו מסתכלים תכנון והנדסת מוצרים.

“המשהו” הזה הוא ההישג של ייצור מתווסף (AM). הטכנולוגיה (הידועה גם כהדפסת 3D) נמצאת בסביבה כבר זמן מה. אבל היא כבר לא מוגבלת לבניית אבי טיפוס, אלא יכולה לייצר גם חלקים סופיים ומוצרים מוגמרים. בעוד AM לא צפוי להחליף את כל תהליכי הייצור המסורתיים, הוא יכול בוודאות להוות גורם משלים לחלקם, בעיקר בדרכים אשר משפרות את יעילות שרשרת האספקה. הוא גם מציע רמות חדשות לחלוטין של חופש בעיצוב, דבר המאפשר למהנדסים לחשוב מחוץ לקופסה בדרכים יצירתיות מאוד. ניתן להקטין משמעותית את כמות החלקים, להפחית משקל מוצר עם מבנה רשתי פנימי ובו חללים – השומר על חוזק החלק או המוצר ואף מגדיל אותו, להדפיס מעגלים בתוך המוצר, לבצע אופטימיזציה של כל דבר – החל ממכשור רפואי מותאם למטופל ועד למוצרי צריכה אישיים – ועוד.

אך חשוב לזכור, כי כלל שמתרחבת מעטפת התכנון בדרכים מרגשות שכאלה, היא מתרחבת בשני הכיוונים: החוצה אל המקרו, מוצרים סופיים, אבל גם למטה אל רמת המיקרו של המולקולות שמרכיבות את המוצר. כתוצאה מכך, הצורך לחיזוי של התנהגות מוצרים הופך לחשוב יותר ככל שתהליכים כגון ייצור מתווסף – אשר מאחד ומשלב בין חומרים בדרכים חדשות, לרוב באמצעות טמפרטורות גבוהות מאוד, נכנסים לתמונת הייצור. איחוד של מדעי חומרים והנדסה, באמצעות הנדסת מוצרים וירטואלית וסימולציה של ביצועים, מגשר על הפער בין עולמות המיקרו והמקרו, ומאפשר את היווצרות התכנון והאופטימיזציה מאטום-למוצר.

היתרונות של איחוד בין תכנון וסימולציה ברורים וידועים מזה זמן – לא משנה מה עומדת להיות שיטת הייצור הסופית; כל תהליך פיתוח המוצר משתפר כאשר משלבים סימולציה עם תכנון, ואופטימיזציה היא הדובדבן שבכך. כאשר מוודאים ומשפרים את התכנון, ועוברים בין הפרמטרים השונים, עושים זאת על בסיס תוצאות של אופטימיזציה המתרחשת בזמן אמת.

עם הזמינות של כלים אלה, יש צורך גובר לעבור למה שאנו קוראים “חשיבת ייצור מתווסף”, המשפיעה על הדרך בה חושבים ותופסים תכנון. מעטפת התכנון כבר אינה סטטית. כמובן, שיש עדיין צורך בתשומות מאנוש לגבי משטחים ועבור נקודות קבועות כגון חורי קידוח, אבל כל היתר בתוך מרחב התכנון זמין כעת לכלי תוכנה שיציעו את העיצוב האופטימלי.

דאסו סיסטמס התייצבה בפני האתגר שמביאה תפיסה זו של תכנון-חופשי. לא משנה מה הטכנולוגיה שמשמשת לייצור, מוצר מוגמר עדיין חייב להציג ביצועים לרמת השביעות הגבוהה ביותר של הלקוח. כדי להשיג יעד זה, תכנון יצירתי של כל חלק אורגני צריך להיות מתורגם חזרה לגאומטריה של קובץ תיב”מ (CAD), וזאת מכיוון שנתוני CAD עדיין מניעים כל דבר, מרמות גבוהות של סימולציה (מבחני נפילה, התרסקות ועוד) ועד לייצור – אין זה משנה אם עוסקים בהזרקת פלסטיק או עיבוד מתכת.

בדומה לדרך בה טכנולוגיה מאפשרת לכלכלות לעבור מייצור מוצרים ושירותים לאספקת חוויות רב ממדיות ומשמעותיות, טכנולוגיות דיגיטליות משנות את המדע לחוויה דינמית ומקיפה יותר. הן מבטלות את הצורך בפעולות שגרתיות, ומאפשרות לשחרר את הסקרנות והיצירתיות שנמצאות בלב התהליך המדעי. לשם כך, צורך לאמץ “חשיבה של ייצור מתווסף” המשפיעה על הדרך בה אנו חושבים על תכנון מקצה לקצה, מהמולקולות ועד למוצר המוגמר. אנו מצוידים כעת יותר מאי פעם כדי לעשות זאת, לדמיין טוב יותר את העולם והמוצרים המוגמרים, לבצע סימולציה שלהם, ולהפוך המציאות לטובה יותר. ברוכים הבאים למדע בעידן החוויות.