לפעמים חלומות מודפסים

טכנולוגיות מפציעות של הדפסת תלת-ממד בארבעה ממדים, הכוללת הדפסת חומרים המשנים צורה בעת חשיפה לטריגרים שונים בממד הרביעי, מובילות בחזית המהפכה התעשייתית הרביעית, ופותחות אפשרויות ליישומים מהפכניים בתחומי הרפואה, הבניה, הביטחון ועוד

בעוד שרובנו מתרגשים מהאפשרויות של הדפסת תלת-ממד, פרופ’ שלמה מגדסי, שעמד עד לאחרונה בראש המרכז להדפסת תלת-ממד במכון לכימיה באוניברסיטה העברית כבר פועל בממד הרביעי הבא – חומרים מודפסים שיכולים לשנות צורה, להגיב לסביבתם, ואפילו לבצע משימות מורכבות בעת חשיפה לטריגר מסוים, למשל לאתר מצבי קיצון של סכנה (גז רעיל) על ידי שינוי צבע או צורה. במעבדתו באוניברסיטה העברית בירושלים, פועל כיום פרופ’ מגדסי בנושאים של מה שהוא מכנה “המהפכה התעשייתית הרביעית”, שעתידה לדבריו לשנות את פני התעשייה, הרפואה, הבנייה, ואף את חיי היומיום של כל אחד ואחת מאיתנו.

ברוכים הבאים לעידן ההדפסות בארבעה ממדים

“הדפסת 4D היא הדור הבא של הדפסת תלת-ממד”, מסביר פרופ’ מגדסי. “מדובר בהדפסה בתלת-ממד של חומרים משני צורה, שיודעים להשתנות בהשפעת ממד רביעי – כגון אור, טמפרטורה, לחץ אוויר, חימום, ייבוש או טבילה במים, מגע עם חומצה או הפעלת שדה מגנטי ועוד. החומרים משני הצורה הם חומרים מגיבים. וכך כאשר יוצרים ציפוי שבו חומר אחד מונח על גבי החומר השני – אם מקדם ההתפשטות התרמי שלהם שונה, החומר עשוי להשתנות באמצעות חימום, או מתח חשמלי ולגרום לתזוזה ולשינוי צורה. בתכנון מבני מדויק אפשר לגרום לחלק הזה גם לבצע פעולה – להרים משהו או להיפתח”, הוא מסביר.

“הדפסה בארבע-ממדים הינה טכנולוגיה מתקדמת המאפשרת יצירת חומרים ומבנים שיכולים לשנות את צורתם או תכונותיהם בתגובה לגירויים חיצוניים כמו חום, אור, לחות או שדות מגנטיים. הרשות בחרה להשקיע משאבים בטכנולוגיה זו בשל הפוטנציאל הרב שלה ליישומים בתחומים שונים. בתחום הבריאות, ניתן להשתמש בטכנולוגיה זו ליצירת סטנטים והדפסות איברים מותאמות אישית, המגיבות לשינויים בגוף ומספקות פתרונות רפואיים מותאמים אישית. בתחום הבנייה, חומרים משני צורה יכולים לשמש ליצירת מעטפות לבניינים שמווסתות את האקלים הפנימי בהתאם לתנאי הסביבה החיצוניים, ובכך משפרות את היעילות האנרגטית. בתחום הביטחון, ניתן לפתח רובוטים ללא מנועים המשתנים בהתאם לצורך, מה שמאפשר גמישות רבה יותר בשדה הקרב. בנוסף, ניתן להדפיס מוצרים מחומרים חדשניים שיכולים לאתר מצבי סכנה, כמו גז רעיל, על ידי שינוי צבע או צורה, ובכך לספק התרעה מוקדמת. ההשקעה בטכנולוגיה זו נובעת מהפוטנציאל שלה לשנות את הדרך בה אנו מתמודדים עם אתגרים בתחומים שונים ולספק פתרונות חדשניים ויעילים”.

פרופ’ מגדסי רואה התפתחויות אלו כחלק מתהליך רחב יותר. “אנחנו בעיצומה של המהפכה התעשייתית הרביעית – שקדמו לה מהפכת המכונות, החשמל והמחשוב – היוצרת חיבור בין העולם הפיזי והדיגיטלי, בין תוכנה ומדפסת. תוצרי המהפכה מודפסים בארבעה ממדים”.

הכימיה מאחורי המהפכה

היישומים של טכנולוגיה זו מרחיקי לכת ומאתגרים את הדמיון. “למשל בגדים שמתאימים את עצמם לקור ולחום, תרופות המשתחררות בגוף לפי טריגר מסוים, או פרחים דינמיים מפולימריים שנפתחים כאשר מקרינים עליהם אור ותנועתם יכולה להירתם למטרות פונקציונליות שונות”, מדגיש פרופ’ מגדסי. “מדובר בגוף תלת-ממדי שהודפס בתכנון מוקפד במחשב ויודע לשנות צורה בעקבות אותו טריגר שנקבע מראש. תחום ההדפסה בארבעה ממדים נחשב להבטחה גדולה. זוהי טכנולוגיה פורצת דרך שעדיין לא ידוע באיזה אופן תיכנס לשוק, אבל הרעיון הוא שימוש בחומרים ובשיטות הדפסה שיאפשרו שליטה ותכנון של הצורה הסופית שאליה המוצר המודפס יגיע”.

פרופ’ מגדסי עוסק כבר עשרות שנים בכימיה של חומרים וביישומיה בתחומים שונים. בשנים האחרונות, הוא וקבוצת המחקר שלו מתמקדים בעיקר בכימיה קולואידית ובחומרים קטנים (בגודל בין מיליונית לאלפית המילימטר) לתחום ההדפסה. השימוש בננו-חלקיקים נועד לפתח תהליכים, חומרים ומבנים חדשים, שאפשר להדפיס, לצפות או לצבוע בהדפסת דו-ממד, תלת-ממד, ואפילו בהדפסה בארבעה ממדים וביצירת חומרים משני צורה.

בבסיס הטכנולוגיה עומדת הכימיה של חומרים והבחירה בשיטת ההדפסה המתאימה. למעשה, הדפסת תלת-ממד היא הדפסת שכבה על גבי שכבה, באמצעות התכת לייזר סלקטיבית של חלקיקי אבקה, או הזרקה סלקטיבית של סילוני צבע. כלומר, ההדפסה נבנית לגובה”.

“אבל”, מסביר פרופ’ מגדסי, “אפשר גם להשתמש באמבט להדפסת גופים תלת-ממדיים בתוך מים. כך החומר הופך מנוזל למוצק, באמצעות הקרנת אור סלקטיבית מלמטה, למשל, רק במקומות שבהם האור נופל. יש דברים שאי אפשר לעשות בהדפסה רגילה וביציקה אחת, למשל מודל תלת-ממדי שמורכב בין היתר משני גלגלי שיניים נעים. אבל, ניתן לייצר אותם באמצעות הרכבות, או בהדפסת תלת-ממד מתוחכמת, שבה אחד החומרים נעלם והחלל בו הוא היה נשמר”.

טכנולוגיות יישומיות במגוון תחומים

בעוד שהתוצרת של פרופסורים באוניברסיטה היא בדרך כלל מאמרים ופרסומים מחקריים, התוצרת של פרופ’ מגדסי, הנחשב לממציא פורה במיוחד, כוללת בנוסף למאמרים גם פטנטים וטכנולוגיות המיושמות בשוק. רבים ממחקריו הבשילו למוצרים בתעשייה הישראלית והעולמית ולהקמת חברות ישראליות ובינלאומיות.

היישומים שהוא וצוותו מפתחים הם פונקציונלים, וכוללים בין היתר ציפויים בדו-ממד ובתלת-ממד. למשל, אחד החומרים שפותחו, ביחד עם פרופ’ דני מנדלר, הוא צבע שחור העמיד בטמפרטורות גבוהות ומשמש לצביעת מתקנים תרמו-סולאריים להפקת אנרגיה מהשמש.

פרויקט מרתק אחר שפרופ’ מגדסי עובד עליו מיושם בסינגפור. מדובר ב”סמארט גריפר” – רובוט רך שמשלב את עולמות הדו-ממד, תלת-ממד וארבעה-ממד. “זהו רובוט העשוי מחומרים רכים מאוד, שיודע להרים דברים. מכיוון שהמגע שלו תוכנן להיות רך, הוא יכול להרים ביצה בלי לשבור אותה, כי יש על הרובוט סנסורים שיודעים להורות לו מתי ללחוץ יותר, מתי פחות ומתי לשחרר”.

פיתוח נוסף שבו מעורב פרופ’ מגדסי הינו חומר דמוי ספוג, שמקנה עמידות לחומר שמוכנס לתוכו בתהליך הייצור, למשל ננו צינוריות פחמן – חומר העמיד בפני שברים.

שיתוף פעולה יוצא דופן בין פרופ’ מגדסי לבין ד”ר שי דובדבני וד”ר אורית שטיינברג ובית החולים תל השומר הביא אותם לעסוק בפרוייקט פורץ דרך בתחום הדפסת איברים, במשותף. מטרת הפרויקט היא הדפסות מותאמות אישית למטופל מסוים לדוגמה הדפסת סחוס בתלת-ממד, שחזור פנים ועוד. הטכנולוגיה עדיין לא בשלה, אבל הכלים שנבנים כעת יאפשרו זאת בעתיד.

הדפסת פולימרים לתעשיית החלל

במעבדה של פרופ’ מגדסי פותחו גם קבוצות פולימרים אשר מוסחרו לחברת החממה “Noga 3D Innovation”. פולימרים אלו היוו בסיס להקמת חברת החממה “נגה טרייד אין”. החברה עוסקת בהדפסת פולימרים לתעשיית החלל ונתמכת על ידי רשות החדשנות. השימוש בחומר זה, המכונה גם Shape-Memory Polymers, מאפשר פתיחה של אנטנה בחלל, או פתיחת קפסולה של תרופות בטריגר מסוים, למשל בעת מגע עם נוזל. כלומר גם כאן, מדובר בחומרים משני צורה.

ישראל נחשבת למעצמה מובילה בתחום ההדפסה, ופרופ’ מגדסי זוקף חלק גדול מההצלחה הזו לזכותה של רשות החדשנות, התומכת במחקר ופיתוח בתחום.

“רשות החדשנות רלוונטית מבחינתי בשני מישורים”, מסביר פרופ’ מגדסי. “במישור הכללי-לאומי, מדובר על פרויקטים רחבים שנכנסים לתוכנית המאגדים (לשעבר מגנ”ט) עם תמה מסוימת, כמו הדפסה דיגיטלית. המישור השני הוא תמיכה בפרויקטים ספציפיים דרך תוכניות כמו מחקר יישומי באקדמיה (לשעבר קמי”ן, נופר) ועוד. הודות לתמיכה זו, אפשר לפתח רעיונות ראשוניים שקשה לעבוד עליהם באופן מסחרי”.

המהפכה התעשייתית הבאה

ההדפסה הפונקציונליות הזו, של דברים שיודעים “לעשות משהו”, אינה חדשה. כבר בשנות ה-80 החלו להדפיס פרוטו טייפינג, למשל, כשתכננו במחשב נעלי ספורט והדפיסו אותן בתלת ממד. השינוי המשמעותי הוא במעבר לייצור תעשייתי, בשילוב עם פרסונליזציה – כלומר, התאמה לאדם ספציפי. זה לא תהליך זול, אבל הוא מהיר ומותאם אישית”.

טכנולוגיות ההדפסה מאפשרות להשתמש כ”דיו” להדפסה בכל חומר: חומרים קרמיים, זכוכית, חומרים גבישים ואפילו עץ. “ברמה הפרקטית אנחנו עוסקים, למשל, בפיתוח חומרים קרמיים קלים כמו פלסטיק שבתנור מתנהגים כמו חומרים קרמיים”, מתאר פרופ’ מגדסי. “היתרון הוא שכאשר מחברים כימיה של חומרים בתמיסה עם כימיה של חומרים בהקרנת אור אפשר ליצור חומרים שקופים, חדשים, שגם ניתנים למחזור. כדי ליצור מבנים אנו יוצרים חומרים חדשים או מעניקים חיים חדשים לחומרים קיימים באמצעות הדפסה”. וזה, כמובן, פותח מנעד עצום של פתרונות חדשים, ואפשרויות יישום.

לדוגמה, כתוצאה ממחקר משותף של פרופ’ מגדסי עם פרופ’ ערן שרון מהמכון לפיזיקה, פרופ’ עודד שוסיוב מהמחלקה לחקלאות, והדוקטורנטים דורון קם ועידו לוין, פותחה שיטה חדשנית להדפסת שבבי עץ עם חומרים מקשרים ומים. הטכנולוגיה מאפשרת לתכנן ולתכנת מראש את השתנות השבבים בהם בזמן הייבוש. במאמר שפרסם פרופ’ מגדסי עם שותפיו, תוארה היכולת לתכנן את החומר כך שהוא ישנה צורה כשהוא מתייבש בהתאם למה שהוגדר לו מראש.

אפשר להדפיס ה-כל

כשמביטים קדימה, האפשרויות נראות אינסופיות. “אפשר להדפיס ה-כל”, אומר פרופ’ מגדסי בהתלהבות. “אפשר להדפיס חומר מוליך, או חומר שהוא חיישן של אור ויודע לנטר את כמות האור בסביבה, או חומר שמפיץ אור ומהווה תחליף למנורה, או חלון חכם המכיל חומר מוליך ובלחיצת כפתור יכול להפוך מאטום לשקוף. אנחנו משלבים את המדע עם התכל’ס. צריך רק לחשוב מה רוצים לייצר, להפוך את זה לקובץ מחשב ולבחור את החומרים הנכונים”.

המהפכה הרביעית כבר כאן. מודפסת, חכמה, גמישה ומותאמת אישית, והיא עתידה לשנות את חיינו בדרכים שעדיין קשה לנו לדמיין. מבגדים שמתאימים את עצמם לתנאי מזג האוויר, דרך תרופות שמשתחררות בדיוק ברגע הנכון בגוף, ועד לרובוטים רכים שיכולים לבצע משימות עדינות – הדפסה בארבעה ממדים פותחת בפנינו שלל אפשרויות חדשות.