עולם ניתן לתכנות

בקיצור

• מדע החומרים הניתנים לתכנות מתמקד בהנדסה ובתכנון של חפצים שיכולים לשנות את צורתם או את אופן פעולתם באופן מכוון וניתן לתכנות.
• החומר הניתן לתכנות, שהוא בעצמו שלוחה של הייצור המתווסף (הדפסה בתלת-ממד), יוכל לשמש לבניית רובוטים משני צורה, לוויינים שפורשים את עצמם וכן רהיטים ואפילו בניינים שמרכיבים את עצמם.
• עם זאת, התקנים כאלה עלולים להיות פגיעים לפריצה ולחבלה זדוניות. מלבד זאת, מוצרים שיכולים להשתנות מהתקן אחד לאחר עשויים ליצור בעיות קשות של קניין רוחני.

הדרך לבתים המרכיבים את עצמם ולרובוטים המשנים את צורתם עשויה להתחיל במשהו פשוט כמו צנרת. כיום, כשאנו רוצים להקים תשתית עירונית להובלת מים, אנחנו לוקחים צינורות קשיחים בעלי קיבולת קבועה וטומנים אותם בקרקע. המערכת הזאת פועלת היטב עד לרגע שבו אנחנו צריכים להגביר את זרימת המים לאזור מסוים או עד שצינור מתפוצץ. במקרים כאלה אנחנו חייבים לחפור בקרקע כדי להוציא את כל הצינורות ולהחליף אותם.

חלופה יעילה לכך תהיה צינורות גמישים שיוכלו לשנות את צורתם לפי פקודה או בלחץ מתאים, או צינורות שיהיו מסוגלים לתקן את עצמם במקרה של סדק. שִכלולים בתֶכֶן בעזרת מחשב (תב"מ, CAD) ובמדע החומרים מאפשרים ליצור צינורות כאלה. השכלולים האלה ואופן התכנון החדש שהם פתחו לפנינו עשויים ליצור עולם שלם של חומרים ניתנים לתכנות: חפצים המסוגלים להרכיב את עצמם, ללבוש צורות חדשות או לשנות את תכונותיהם לפי פקודה.

מדענים כבר החלו לבנות מכונות המרכיבות את עצמן, אך הן זעירות: התקנים בקנה מידה ננומטרי המשמשים כחיישנים ביוכימיים, כרכיבים אלקטרוניים או כנשאי תרופות. אנחנו מעוניינים לדעת מה יקרה כשחומר ניתן לתכנות יגיע לקנה מידה גדול. יש שתי דרכים עיקריות להשיג את המטרה הזאת. דרך אחת היא ליצור אבני בניין נפרדות המסוגלות להתחבר זו אל זו או להתנתק באופן עצמאי זו מזו וכך להרכיב מבנים גדולים שיהיה אפשר לתכנת. דרך שנייה היא ליצור חפצים משני-צורה כיחידות מוכנות שבהן יוטמעו צירים, נקודות לחץ או רכיבים אלקטרוניים בדיוק במקומות הנכונים וכך יאפשרו שינוי צורה בנסיבות המתאימות. הגישה השנייה הזאת קרויה בפינו הדפסה בארבעה ממדים. כפי שנעשה בהדפסה בתלת-ממד, גם בהדפסה ארבעה ממדית החפצים נבנים באמצעות הנחה של שכבות חומר זו על גבי זו, אלא שכאן הם מסוגלים לשנות את צורתם או את תכונותיהם זמן ממושך לאחר סיום ההדפסה.

חומרים ניתנים לתכנות יאפשרו לנו ליצור חפצים שיחסכו בחומרי גלם, באנרגיה ובעבודה. חִשבו, למשל, על כיסא המסוגל להפוך את עצמו לשולחן או על צינורות מים גמישים המתקנים את עצמם. יהיה אפשר לבנות מכונות מורכבות ללא התערבות אנושית. למערכות כאלה יהיה ערך רב בסביבות עוינות, למשל בחלל החיצון. יהיה אפשר לשגר לחלל קופסה קטנה ודחוסה שעם הגיעה למסלול תהפוך את עצמה ללוויין מתפקד. התקני חלל אחרים יוכלו לשרת מטרות מרובות, לדוגמה: מערך סולרי יוכל להשתנות וליצור אנטנה פרבולית או תא לאחסון.

עם זאת, חומרים ניתנים לתכנות עלולים גם ליצור אי-ודאויות חדשות. דמיינו עולם חומרי שניתן לפרוץ אליו כפי שפורצים למחשבים. מישהו עלול לחבל בכנפיים משנות צורה של מטוסים או לתת פקודה לבניין מאוכלס לפרק את עצמו. גם זכויות קניין רוחני ייעשו מורכבות יותר כשמוצרים יחלו לשנות את צורתם. הדבר יצור בעיות שמשרדי הפטנטים לא העלו אף בדמיונם. בגלל סיכונים כאלה חשוב להתחיל את הדיון על טכנולוגיה מהפכנית זו כבר עכשיו, כדי שכבר מן ההתחלה נוכל לקבוע נהלים באשר לשימוש בה ואף להטמיע בה אמצעי שליטה.

אין צורך בהרכבה

קומץ מדענים בעלי דמיון מפותח דיברו על חומרים ניתנים לתכנות כבר בשנות ה-90 המוקדמות, אך התחום צבר תנופה רק ב-2007, כשהסוכנות האמריקנית למחקר ביטחוני מתקדם (DARPA), מימנה פרויקט בנושא. הסוכנות הציגה תכנית רב-שנתית לתכנון ולבנייה של מערכות רובוטיות בקנה מידה מיקרומטרי שיוכלו לשנות את צורתן וליצור מערכות צבאיות גדולות יותר, כגון תצוגות תלת-ממד ואנטנות למטרות ייחודיות. החוקרים כיווצו רובוטים לממדים מילימטריים, בערך לקוטרו של עיפרון, ובתוך שנים ספורות הצליחו להציג רובוטים זעירים משני צורה.

אחד מאִתנו (טיביטס) פיתח דרכים להשתמש בהדפסה ארבעה ממדית כדי לבנות מכונות כאלה ללא המנגנונים הרובוטיים (מנועים, כבלים ואלקטרוניקה). הוא ועמיתיו במעבדה להרכבה עצמית של המכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT) יצרו, בין השאר, חפץ דמוי נחש מפולימר מיוחד שכשמכניסים אותו למים הוא מתקפל ויוצר את האותיות "MIT". הם יצרו גם רצועת פולימר שהופכת בכוחות עצמה מאותיות אלה לאותיות "SAL" (ראשי התיבות של שם המעבדה), משטח המתקפל בכוחות עצמו לצורת אוקטהדרון קטום, ודִסקה שטוחה שבעת חשיפה למים הופכת למבנה אוריגמי בעל קימורים וקפלים.

כריסטופר ב' ויליאמס מווירג'יניה טק הטמיע חוטי סגסוגת ומעגלים מודפסים לתוך מבנים מתאימים תוך כדי הדפסתם. עם השלמת ההדפסה, אפשר לגרום לתנועה ולשינוי צורה של המבנה באמצעות אות מבחוץ. לגישה הזאת יש יישומים אפשריים ברובוטיקה, בהרכבת רהיטים ובהקמת בניינים.

ויליאמס ואחד מאִתנו (קמפבל) הרחיקו לכת מזה ומיזגו את ההדפסה בארבעה ממדים עם חומרי-ננו. הוספה של חומרים כאלה לחפצים מודפסים יכולה ליצור חומרים מרוכבים רב-תכליתיים המסוגלים לשנות את תכונותיהם בתגובה לגלים אלקטרומגנטיים (אור נראה ואור אולטרה-סגול). לדוגמה, קבוצה זו הדפיסה את הלוגו של וירג'יניה טק בחומרי-ננו מוטמעים המשנים את צבעם בהתאם לתאורה. אם חומרים כאלה יפותחו עוד, ייתכן שהם יוליכו ליצירת סוג חדש של חיישנים, שנוכל להטמיעם בתוך התקנים רפואיים כדי לבדוק חריגות בלחץ דם, ברמות אינסולין ובמדדים רפואיים אחרים.

אתגר חישובי

כיום, קל להדפיס לוגו סטטי של MIT או של Virginia Tech: פשוט מזינים את ההוראות ליצירת הלוגו המבוקש לתוך מדפסת תלת-ממד. אבל הדפסת חפצים שיוכלו לשנות אחר כך את צורתם כרוכה בתכנון של מאפיינים ניתנים לתכנות, כגון נקודות לחץ וכיפוף או חומרי-ננו מוטמעים. הנדסה מסוג כזה יוצרת אתגרים חישוביים קשים, מעבר ליכולותיהן של תוכנות התב"מ הקיימות.

נניח שאנו מעוניינים להדפיס משהו המשנה את צורתו משולחן לכיסא. מבחינה טופולוגית, יש דרכים רבות להפוך שולחן לכיסא. עם זאת, רוב הדרכים האלה לא יפעלו בעולם האמיתי, מכיוון שבמהלך תהליך הקיפול חלקים של החפץ ייתקעו זה בזה או שהחפץ יסתבך בתוך עצמו. מציאת הפתרון הטוב ביותר היא אתגר הדמיה מורכב. חוקרים פיתחו ספרייה של מנגנונים פיזיקליים היוצרים את הבסיס לכל חפץ שנרצה לעצב: מנגנונים לקיפול, למתיחה, לפיתול, לכיווץ וכדומה. שינוי הצורה של החפץ תלוי בפעולה המשותפת של אבני הבניין האלה. אנו יכולים לתכנן חפצים באופן לינארי ("קיפול, קיפול, מתיחה") או לתכנת אותם באופן לוגי – "אם מתקיים תנאי אחד בצע את א', אם מתקיים תנאי אחר בצע את ב'".

השילובים האלה נעשים במהרה מסובכים כל כך עד שקשה לחזות את התנהגותם. לכן, הצעד הראשון בהפיכת החומרים הניתנים לתכנות לישימים הוא פיתוח סוגים חדשים של תוכנות הנדסיות. המתכננים זקוקים למחשבים שיבצעו הדמיות של שינויי הצורה של חפצים מודפסים בארבעה ממדים ויתרגמו את העיצובים להוראות שהמדפסת יכולה להבין. הם צריכים תוכנה שתסייע להם להימנע מבעיות שקשה לצפות מראש, כגון הסתבכות של החפץ עם עצמו בעת שינוי הצורה. כשלב ראשון בכיוון זה, הקבוצה של טיביטס עבדה בשיתוף עם חברת התוכנות ההנדסיות Autodesk במיזם ושמו Cyborg שנועד לדמות ולשפר את הדינמיקה של חפצים מודפסים בארבעה ממדים. הקבוצה של טיביטס יצרה בעזרת תוכנת Cyborg את הלוגו של MIT המתקפל בכוחות עצמו וחפצים אחרים בהדפסה ארבעה ממדית. היא עשתה זאת באמצעות מדפסת תלת-ממד של חברת סְטְרַטַסיס (Stratasys) המסוגלת להדפיס בכמה חומרי גלם ופולימר חדש שפותח על ידי סְטְרַטַסיס ומתרחב ב-150% כשטובלים אותו במים.

עד כה, החפצים שפותחו על ידי חוקרי החומרים הניתנים לתכנות היו פשוטים למדי, וכללו פחות או יותר סוג אחד של מפרק ושני חומרים. אלא שכבר כיום יש חומרים שיאפשרו לבנות התקנים מורכבים יותר, וכשנרחיב את המבחר הזה, הדברים היחידים שיגבילו אותנו יהיו יכולת המחשוב, הדמיון וחוקי הפיזיקה.

אבני בניין

אחד הכלים המושגיים השימושיים לחשיבה על חומר ניתן לתכנות הוא "ווקסל" (Voxel), פיקסל של נפח. בעולם המחשבים, הווקסל הוא פיקסל במרחב תלת-ממדי. בחומר ניתן לתכנות, הווקסל הוא יחידה בסיסית שממנה אפשר לבנות התקנים מורכבים. ווקסל יכול להיות חלקיק סינתטי בגדלים שונים שעשוי ממגוון חומרים: מסיליקון עד חומרים קרמיים ופלסטיק ועד טיטניום. יהיה אפשר לתכנן ווקסלים כאלה כך שיתפקדו בסוגים רבים של תת-מערכות: בהתקנים לאחסון אנרגיה, במנועים, בחיישנים, במוליכים, במבודדים, בכיסויי מגן, באנטנות ואפילו במחשבים זעירים. את הווקסלים יהיה אפשר להרכיב ואז לתכנת אותם יחדיו כך שישנו את צורתם או את תפקודם וייצרו חפצים שונים.

בספרם החדש "תלת-ממד: המהפכה התעשייתית החדשה", הוד ליפסון ומלבה קורמן משתמשים ברעיון הווקסלים כשהם משווים בין חומר ניתן לתכנות ובין ביולוגיה. החלבונים הרבים בתאים חיים עשויים, בסופו של דבר, מעשרים ושתיים אבני בניין: חומצות אמיניות. "אם קצת יותר מ-20 סוגים של רכיבי יסוד בונים את כל החיים הביולוגיים, כך מספר קטן של סוגי ווקסלים בסיסיים יוכלו ליצור מבחר גדול של אפשרויות," כותבים ליפסון וקורמן. ייתכן שיהיו ווקסלים קשים ורכים, ווקסלים מוליכים לצורכי חיווט, ומעגלים חשמליים עשויים מווקסלים של נגדים, קבלים, סלילים וטרנזיסטורים. "הוסיפו לכך ווקסלים מחוללי תנועה וחיישנים ותקבלו רובוטים," הם אומרים.

רובוטים כאלה מעניינים מאוד את הצבא האמריקני מכיוון שביטול הצורך לשנע ולאחסן אלפי חלקי חילוף יכול לחסוך זמן, הוצאות ומקום. כבר עתה חילות היבשה והים האמריקניים מפתחים דרכים להדפיס בשטח בתלת-ממד חלקי חילוף לספינות ולרכבים אחרים. חומרים ניתנים לתכנות יוכלו להגביר עוד יותר את היתרונות האלה. דמיינו, למשל, דלי של ווקסלים בצוללת. אם חלק כלשהו נשבר או שצריך כלי מסוים, פשוט לוקחים כמה ווקסלים ומתכנתים אותם כך שייצרו את הדרוש. כשאין בכלי הזה עוד צורך, נותנים לו פקודה להתפרק והווקסלים נותרים זמינים ליצירת חלקים וכלים אחרים.

מלבד החלקים והכלים, חומר ניתן לתכנות יוכל ליצור גם מדים שמתאימים את מידת הבידוד והקירור שלהם הן לסביבה והן למדדים הביולוגיים של הלובש. השנה, חיל היבשה האמריקני השקיע כמעט מיליון דולרים בפרויקט להדפסה ארבעה ממדית של הסוואה דינמית. בטווח הארוך מאוד, ועם לא מעט דמיון, אפשר לראות כיצד חומר ניתן לתכנות ישמש לבניית רובוטים משני צורה שיוכלו לזרום סביב מכשולים או דרכם, בדומה לרובוט T-1000 מן הסרט "שליחות קטלנית 2".

ייתכן שבעתיד חומרים ניתנים לתכנות יוכלו לשמש לבנייה בקנה מידה גדול, גם בהקשרים צבאיים וגם בהקשרים אזרחיים. חִשבו, למשל, על בניינים שירכיבו את עצמם. במקום להניח לבנים ולצקת בטון, נשפוך כמות גדולה של חומר ניתן לתכנות לתוך יסודות ונורה לחלקים "לצמוח" או "להתייצב" לכדי מבנה סופי הכולל תשתית חשמל וצנרת. התהליך הזה עלול להיראות מסובך שלא לצורך לגבי בית ממוצע, אך בסביבות עוינות, כגון אזורי מלחמה או על פני כוכב הלכת מאדים, הרכבה עצמית היא אפשרות מושכת מאוד.

העתיד שמרכיב את עצמו

הזכרנו רק מקצת הדרכים שבהן חוקרי החומרים הניתנים לתכנות עשויים להשתמש בהמצאותיהם. מה בדבר כנפי מטוסים שמשנות את צורתן בתגובה לשינויים בלחץ האוויר או בטמפרטורה? או צמיגים שאחיזת הכביש שלהם משתנה בהתאם לתנאי הדרך ולמזג האוויר? חומרים בעלי יכולת תיקון עצמי עשויים להגן על מטוסים או לעזור לגשרים להסתגל לשינויים פתאומיים בעומסי תנועה, ואפילו לרעידות אדמה. אולי גם רהיטים שמרכיבים את עצמם? כל מי שקנה פעם באיקאה יעריך מזנון שמגיע באריזה שטוחה, אבל מקפל את עצמו לצורתו הסופית לפי פקודה.

הרעיונות האלה נשמעים כמו קסם, אך הם מבוססים על הנדסה אמיתית ועל מחקר מדעי. ועם זאת, נותרו עוד כמה מכשולים גדולים. לבד מן האתגר החישובי, חומר ניתן לתכנות ידחק את גבולות מדעי החומרים והייצור. כדי ליצור את הלוגו המתקפל בכוחות עצמו של MIT ואת הלוגו הרגיש לאור של וירג'יניה טק נזקקנו לפולימרים חדשים לגמרי. אילו סוגי חומרים יידרשו כדי לבנות בית שמרכיב את עצמו או כנף מטוס משנה צורה? גם לאחר שנפתח את אבני הבניין, עדיין יהיה עלינו למצוא דרך להרכיב מהן מבנים גדולים ומסובכים. איך גורמים לווקסלים להיצמד זה לזה? איך נתכנת אותם, ובאילו סוגי אנרגיה הם יוכלו להיעזר לצורך ההרכבה העצמית?

בהנחה שנצליח לפתור את הבעיות האלה, עדיין יעמדו בפנינו האתגרים שהוזכרו כאן, כגון חשיפה לפריצות ובעיות מורכבות של קניין רוחני. כבר בקרוב תהיה לנו הזדמנות לנסות להתגבר על האתגרים האלה. בשנה וחצי האחרונות, עבד טיביטס עם כמה חברות על פיתוח חומרים, מוצרים ומערכות בנייה שכולם משני צורה, וקמפבל וויליאמס השתתפו בדיונים עם חברה בנושא הדפסה ארבעה ממדית של חומרי-ננו לצורך מניעת זיופים. ייתכן שהבית שמרכיב את עצמו אינו רחוק כפי שנדמה.