מחלקות מחקר

הרעיון המרכזי בתכנית למערכות אוטונומיות הוא להקים קבוצות מחקר בין-תחומיות שיפתחו עקרונות ויישומים המובילים לפתרונות בתחומי חיים רבים. שתוף הפעולה בין חוקרים יתמקד במחקר, קבוצות דיון וסמינרים. התכנית כוללת חמישה מרכזי מחקר:

מחלקת אוויר וחלל ע"ש ארלין וארנולד גולדשטיין

מרכז אוויר וחלל ע"ש ארלין וארנולד גולדשטיין

כלי טיס בלתי מאוישים (כטב"מים) ולוויינים הם בין היישומים הטבעיים באוטונומיה מתקדמת, שכן המרחק ממרכזי הבקרה שבו הם פועלים הוא כזה, שמפעיליהם לעתים קרובות מחוץ להישג יד הן מבחינה אופטית והן מבחינה אלקטרונית. בחלל, המצב מורכב יותר בשל הזמן הרב הנדרש לאות להגיע מהמשדר למקלט. החלטות צריכות להתקבל באופן אוטונומי. קבוצת לוויינים המפוזרים בטווחים של קילומטרים זה מזה והמבצעים פעולות בסיסיות הדורשות תיאום מוחלט, היא חלק מתחומי המחקר הייחודיים בתחום של מערכות אוטונומיות. כלים אוויריים נמנים עליהם. כטב"מים פעילים בצבא הגנה לישראל במשך ארבעים השנים האחרונות, תחילה כמזל"טים ועם ההתפתחות הטכנולוגית, הכלים שוכללו על מנת להכיל משימות כמו הגנה, אבטחה ומגוון רחב של יישומים סביבתיים. הכטב"מים של היום כוללים חלקים גדולים המשתמשים באנרגיה סולארית כדי להישאר באטמוספירה במשך שבועות. בנוסף, קיימים מיקרו כלי רכב שמשקלם גרמים ספורים. הפעילות בתחום זה כוללת מחקר ופיתוח של סוגים חדשים של תצורות מיקרו מל"ט כגון מנפנפים, ותצורת ציפורים שיכולה לעבוד רק בגדלים קטנים ולתקשר בתצורות של נחילים וכלי רכב מעופפים.


בגלל היותה מונעת ע"י הצורך לזהות איומי טרור בלתי פוסקים ולהתמודד עמם, ישראל היא בין המדינות המובילות בכל הקשור לנושא של פיתוח טכנולוגי של כטב"מים, כבר יותר משלושה עשורים. כטב"מים המשמשים לביצוע מעקב, זיהוי איומים וניסיונות לחדירה ומגיבים לפעולה, משמשים להרתעת האויב ומספקים מידע לחיילים כדי שידעו מה עומד לפניהם בשדה הקרב וכל זאת, בלי לסכן חיי אדם יקרים. שיפור והרחבת יכולות הכטב"מ הן הכרחיות לביטחון צבאי ופנימי, אך לדור הבא של טכנולוגיית הכטב"מ השלכות משמעותיות מעבר להגנה. בנוסף ליישומים הצבאיים, כטב"מים מהווים תרומה גדולה גם בתחומים אחרים כגון: אכיפת החוק, אבטחת גבולות, בדיקת אתרים תעשייתיים, ניטור יבולים ודיוק אזורי בזמן ריסוס דשנים או חומרי הדברה, צילומי אוויר של אירועים, בדיקת תקינות קווי מתח גבוה, ניטור ומלחמה בשריפות יער, בדיקת צינורות נפט וגז, חיפוש אחר ניצולים או גופות בזמן אסונות טבע או בג'ונגל אורבני, ביערות או בסביבות מדבריות. הכטב"מים החדשים לא רק יעזרו בהגנה, אלא גם בשיפור איכות החיים על פני הגלובוס.


כטב"מים דורשים יכולות מתקדמות לניטור ולפרשנות ותגובה לפעילות על הקרקע או באוויר, כמו גם יכולות השוואת הנתונים שנאספים על ידיהם בזמן אמת בעזרת המודיעין שסופק מראש לצורך המשימה. מערכות הבקרה המורכבות וההטרוגנית שלהם, בנוסף לחיישנים, חייבות להיות משולבות כדי לפעול בצורה יעילה ועליהן להיות בעלות יכולת לפעול כראוי בהתבסס על ניתוחן. מכיוון שהכטב"מים נעים במהירויות גבוהות, חיישניהם המרובים חייבים להיות בעלי יכולת לאסוף ולעבד כמויות עצומות של נתונים בזמן אמת על מנת למנוע התנגשויות. זהו אתגר קשה במיוחד עבור כטב"מים מנמיכי טוס (כטב"מים זעירים שתוכננו לפעול בתוך מבנים וחללים סגורים אחרים). כטב"מים חייבים להיות קטנים וקלי משקל ככל האפשר, דבר המגביל את כמות וסוג החיישנים והמעבדים שהם יכולים לשאת ומניע מהר יותר את פיתוחם של רכיבים קטנים יותר. שילוב בין אתגרים אלו - כטב"מים הפועלים בשטח עוין שיתקשו לשמור על קשר עם הבסיס - מחייב מצב שבו הכלים יהיו מסוגלים להחליט, באופן עצמאי לגמרי, על הדרך הטובה ביותר למלא את המשימה בנסיבות משתנות.


כדי לייעל את האפקטיביות של כטב"מים, יש צורך לפתח מערכות מבוזרות מעודנות שתאפשרנה לקבוצות של כטב"מים לפעול באופן עצמאי כיחידה מתואמת ולקבל את ההחלטות הטובות ביותר לשם ביצוע המשימה. החלטות אלה מבוססות על הערכה של הפרעות חיצוניות, שינויים במצב הכללי, העברת מכשולים, הפרעות אטמוספריות וכשלים במערכת. בנוסף, כטב"מים שצריכים לעבור מרחקים גדולים או להישאר באוויר למשך פרקי זמן ארוכים, צריכים להיות מסוגלים לבצע תדלוק בזמן הטיסה. למחלקה למערכות אוויריות אוטונומיות ע"ש ארלין וארנולד גולדשטיין תפקיד מפתח באיחוד בין מומחים ממגוון רחב של תחומים, למציאת פתרונות חדשניים לאתגרים ההנדסיים והחישוביים יוצא הדופן הללו.

המחלקה למחקר בתחום הקרקעי

מרכז קרקע

עבור כלי רכב יבשתיים פני השטח מהווים ממד קריטי - הם עשויים לספק מסתור, אולם גם להוות מכשול. בהפעלת כלי רכב יבשתי יש לקחת בחשבון סביבה תלת-ממדית, היוצרת אתגרים בתכנון מסלול ההתקדמות שלו, כגון: מבנים, הרים, צמחייה וכדומה. במטרה לבצע את המשימה, מערכת אוטונומית של כלי רכב יבשתי מסתמכת על המידע המדויק ביותר שמקורו בתצלומי אוויר, וזה בנוסף למידע הנאסף בזמן אמת על-ידי החיישנים המותקנים על הכלי.


מערכת אוטונומית יבשתית עשויה להיתקל בקשיי עבירות בשטח, כמו: חול טובעני, גופי מים שונים, מצוקים או מדרון תלול. קשיים אלו עשויים לחבל בתקשורת, ולכן, הכלי האוטונומי חייב להיות מסוגל לקבל החלטות בנוגע למשימה, גם בתנאים לא צפויים שלא נחזו מראש.


כלי אוטונומי יבשתי מתוכנן באופן שהוא מחקה את היכולות של המודל החי לפיו נבנה. למשל: רובוט-נחש שפותח במעבדות הטכניון, נבנה מחוליות וכך הוא מסוגל להפגין "גמישות": להתגלגל, לזחול , לעקוף ולטפס על מכשולים. רובוט-נחש יכול לשדר מידע על תנאים בסביבות עוינות כגון בניינים שקרסו בעקבות רעידת אדמה או אסונות טבע אחרים, שנערך בשטח אויב בעת המלחמה, נזילות כימיות, אזורים שהותקפו בנשק לא קונבנציונלי. הוא אף מסוגל להתקדם ולנווט דרך גופי מים, וכך להגיע למקומות שהאדם אינו יכול להגיע. נחש-רובוט מסוגל לשדר מידע מסביבה עוינת או מסוכנת עקב מפגע טבע או אדם (כמו: שימוש בנשק כימי), וגם לשמש בחקר קרקעית הים והחלל או תחזוקה של מערכת צינורות או מערכת מנועים.
התקנת מצלמות או מיקרופון וחיישנים נוספים על גבי הכלי האוטונומי יאפשרו לו לאתר סימני חיים במהלך פעולות חילוץ והצלה, חיישנים אלו יאפשרו לעובדי ההצלה בבסיס לשוחח עם ניצולים ולהרגיעם. בנוסף, בעזרתם של החיישנים הכלים האוטונומיים יכולים לזהות חומרים כימיים או ביולוגיים וכן לקחת דגימות מהסביבה החשודה ולהחזירם לבסיס האם.


רובוטים נחש יכולים להגיע למקומות שמכשירים אוטונומיים בשליטה מרחוק אחרים אינם יכולים. הצורך בחיפוש והצלה עירוניים ( USAR ) רובוטיים הוכרו לראשונה בשנת 1985 , לאחר רעידת האדמה בעיר מקסיקו, אולם רק לאחר אירועי ה – 11/9 באתר מרכז הסחר העולמי, הושמשו למעשה רובוטים שהותאמו למשימות כאלו של "היבט מעבר לפינה " ולסיפוק מידע.


בנוסף למגוון רחב של יישומים צבאיים וUSAR , רובוטים גמישים אלה יכולים למלא תפקידים הנעים בין תחזוקת צינור או מנוע סילון בדיקה ,לניתוח פולשני.

 

המחלקה לחקר מערכות רפואיות

מרכז מערכות רפואיות

מערכות אוטונומיות המיושמות בתחום הרפואי, עתידות להביא לשינויים מהותיים בכל הקשור למערך הבריאות, והטכניון הוא אחד מגורמי המפתח בהתפתחות זו. לדוגמה, טכנולוגיות חדשות מאפשרות פיתוחם של מכשירים זעירים שניתן להחדירם לגוף. מכשירים אלו יכולים להיות מונחים על ידי רופא או בעזרת מערכת אוטונומית. חלק ממכשירים אלו מסוגלים להגיע לאזורים בגוף שלא היו נגישים בעבר באמצעות אנדוסקופים מסורתיים. משמעותו של פיתוח רובוטים רפואיים, אפילו קטנים יותר, היא שהן האבחון והן הטיפול יוכלו להתבצע באמצעות חתכים קטנים יותר, מה שיביא להחלמה קלה ומהירה יותר.
החוקרים מפתחים עוד ועוד יישומים, שיאפשרו לרופאים לבצע ניתוחים אפקטיביים ובטוחים יותר. כבר היום מתבצעים ניתוחים בעזרת צג מחשב וציוד המסוגלים לתקשר ביניהם בזמן אמיתי. יותר מ-60% מהניתוחים האורולוגים והגינקולוגים מבוצעים ע"י רובוטים המופעלים מרחוק. שילוב מגוון רחב של טכנולוגיות ויישומן תלוי בחוקרים בעלי ידע רפואי רחב ובשיתוף חוקרים מיומנים במדעי המחשב ובהנדסה ביו-רפואית. הטכניון מסוגל להתמודד עם אתגר זה באופן ייחודי, הודות לקשר ההדוק בין הפקולטה לרפואה בטכניון והקשר בינה ובין הפקולטה להנדסה ביו-רפואית וחוקרים אחרים במחלקות השונות של המדע וההנדסה.
אבחון מהיר ומדויק יכול לקבוע את ההבדל בין חיים לבין מוות. שיפורים בתחום ההדמיה הרפואית מתורגמים ישירות להצלת חיים ולהקלה על סבל. הרופא יכול להתבונן טוב יותר לתוך הגוף והאבחנה והטיפול הופכים ליעילים יותר. דימות רפואי הולך ומשתפר; טכניקות וכלים חדשים משולבים עם נושא של עיבוד תמונה ומאפשרים לרופאים לראות ולפעול הן ברמת המיקרו והן ממרחק. דבר זה דורש התגברות על ההפרעות בין מכשירים רפואיים ובין מערכות הדמיה, כמו גם אינטגרציה של תמונות חלקיות ולעתים קרובות מעוותות לכדי תמונה ברורה. דרישה זו מהווה אתגר משמעותי לכל הנושא של עיבוד נתונים ויש להיענות לו כדי ליצור את הדור הבא של רובוטים רפואיים.
חוקרי טכניון עוסקים בפיתוח רובוטים רפואיים שיכולים לנוע באופן עצמאי בתוך גוף החולה לשם אבחון וטיפול. רובוטים רפואיים זעירים שנעים בתוך הגוף צריכים להכיר ולזהות האם המבנה נורמלי או לא, להחליט על דרך פעולה מתאימה ואולי אף לתאם פעולה זה עם זה. האתגרים הכרוכים בתכנון ופיתוח של מצלמות וחיישנים שונים למכשירים אלה הם אדירים. על החיישנים להיות קטנים מאוד ומדויקים מאוד, ובעיקר להיות מסוגלים לעמוד בתנאי הסביבה הקשים (בתוך גוף האדם). עליהם להיות מסוגלים לתקשר עם מכשירים אחרים ועם הרופאים ולפעמים, גם לקבל החלטות עצמאיות על המשכיות הטיפול. אם נעשה שימוש ברובוטים מרובים, עליהם להיות מסוגלים לתקשר זה עם זה. תכנית למערכת אוטונומית בטכניון תפקיד את הכלים ההכרחיים לפיתוחים אלה בידיהם המיומנות של טובי החוקרים, על מנת שיקדמו את העבודה החשובה והחיונית שתביא לשיפור התחום הרפואי והבריאותי ברחבי עולם.
כדי לענות על האתגרים בתחום רפואה במאה ה -21 , הגדרנו שלושה תחומי מחקר העיקריים:

  • התערבות כירורגית אוטונומית - לשיפור הבטיחות ורמת הטיפול.
  • איברים אוטונומיים מוגברים – שיקום מלא של איברים.
  • סביבה בריאותית אוטונומית - תכנון ועיצוב סביבת מגורים שמטרתה לטפח סגנון חיים בריא יותר.

למרכז הרפואי במערכות האוטונומיות יתרון ייחודי של שיתוף פעולה עם הקריה לבריאות האדם רמב"ם, המרכז הרפואי הגדול והמתקדם ביותר בצפון ארץ, הפועל להקמת חדר ניתוח רובוטי עתידי. שני המרכזים יעבדו בשיתוף פעולה עם המרכז התפעולי רובוטי העתידי (FROT).

 

המחלקה למחקר בתחום הימי

גבולה הארוך של מדינת ישראל לאורך הים התיכון הופך את המערכות האוטונומיות בים לחיוניות מאוד. לשם כך פותחו מערכות ימיות ותת-ימיות  המשמשות כבר כיום במחקר וניטור איכות הסביבה. המערכת האוטונומית הימית מסוגלת לאתר ספינות טרופות, מטוסים שהתרסקו בים ואף אוצרות טבע.
בבניית מערכת ימית יש להתמודד עם מגוון אתגרים. ניווט ותקשורת במים, התאמה של  מקורות אנרגיה, חיישנים, מצלמות, משדרים וכדומה ולדאוג לאיטום של המערכת תוך התאמה לתנאי הלחץ בים ולהפעלתם לפרקי זמן ממושכים. מורכבות  נוספת היא בהפעלת מספר מערכות במקביל, כך שיהיו מסוגלות לתקשר ביניהן ולשתף פעולה למען השלמת משימה משותפת.