המחבר (ראו תמונה משמאל), רועי צזנה, הוא דוקטור לננו-טכנולוגיה; עמית בסדנת יובל נאמן למדע, טכנולוגיה וביטחון באוניברסיטת תל אביב, ומרצה בפקולטה להנדסה ביו-רפואית בטכניון.
בוגר קורס המנהלים של אוניברסיטת הסינגולריות ומחבר הספר המדריך לעתיד.
[התמונה משמאל: מאלבום התמונות הפרטי של המחבר]
האתרים של ד"ר רועי צזנה
* * *
קיימות טכנולוגיות שמשנות את כל מה שידוע לנו על האפשרי והבלתי-אפשרי בחיי היומיום. ברשומה זו אני רוצה לסקור אחת מהטכנולוגיות האלו, שנמצאת כיום בשלבים ראשוניים – אבל יש לה את הפוטנציאל לשנות את חיינו מן היסוד. ובאופן מוזר, כמעט אף אחד לא מדבר עליה. טוב, חוץ מהפורום הכלכלי העולמי ברשימת עשר הטכנולוגיות המפציעות שלו מ- 2019[1]. אבל תנסו לשאול מישהו ברחוב על "מטא-עדשות" ורוב הסיכויים שלא יהיה לו מושג על מה אתם מדברים.
[התמונה באדיבות האתר: phys.org. אנו מאמינים כי אנו עושים בתמונה שימוש הוגן]
אז מהן באמת מטא-עדשות?
כדי לענות על השאלה, אנחנו צריכים קודם להבין מהן עדשות בכלל, ומה הבעיה הגדולה איתן בתעשייה.
טלפונים, מחשבים ומכשירים אלקטרוניים אחרים עברו תהליך מתמשך של מזעור בעשורים האחרונים. גם המצלמות הדיגיטליות עברו מזעור, אבל בקצב איטי יותר. הסיבה לכך היא שעל מנת לעוות ולעקם את מעבר האור במכשירים קטנים כל-כך, יש צורך בעדשות זעירות המגולפות בקפידה מזכוכית, ורכיבי העדשות עצמן מורכבים לעתים קרובות אחד על השני כדי למקד את האור כראוי.
במילים אחרות, אנו חיים במאה ה- 21, ועדיין משתמשים באותה טכנולוגיה למיקוד אור שהייתה נהוגה במאה ה- 17 (אז הומצא הטלסקופ, או לפחות הוגשה בקשה להוציא עבורו פטנט)[2].
בשנים האחרונות החלו לצוץ אלטרנטיבות לעדשות הזכוכית, שיש להן פוטנציאל ממשי להגיע לציבור הרחב. האלטרנטיבות האלו מכונות מטא-עדשות (metalenses), והן עוד ישנו את העולם.
מטא-עדשה מתבססת על משטח דק – דקיק בהרבה משערה אנושית – שפני השטח שלו נצרבו ברזולוציה ננו-מטרית. כתוצאה, כאשר אור פוגע במשטח, תכונותיו משתנות. חוקרים מצאו דרכים לצרוב את המשטח בדיוק בדפוסים הנכונים כך שניתן לבחור את תכונותיו של האור העוזב את המטא-עדשה. אפשר גם למקם מספר רב של מטא-עדשות, אחת על גבי השנייה, בנפח מזערי.
שתי פריצות דרך מהתחום האחרון מבשרות גדולות עבור המטא-עדשות. בשנת 2018, הצליחו חוקרים לפתור את בעיית האברציה הכרומטית, שמאפיינת עדשות רגילות. בעיה זו מתארת מצב בו אור לבן עובר דרך עדשת זכוכית רגילה, משתבר ומתפצל לאורכי-גל רבים, וחלקם נשברים בזוויות שונות וממוקדים במרחקים שונים מהעדשה. כדי להתמודד עם האברציה הכרומטית, מהנדסים כיום צריכים למקם עדשות במרחב בזהירות ובמדויק. אלא שב- 2018 נרשמה הצלחה בפיתוח מטא-עדשה בודדה, שמסוגלת לרכז את כל אורכי-הגל שבאור הלבן באותה נקודה[3]. חוקרים הצליחו לתקן גם אברציות אחרות – כמו אסטיגמטיזם – שגורמות לעיוות ולטשטוש התמונה המתקבלת.
פריצת הדרך השנייה פורסמה ב- 25 לאוגוסט, 2020, במגזין המדע היוקרתי PNAS. החוקרים שילבו "גבישים נוזליים נמאטיים" במטא-עדשה, ובכך יכלו לשלוט בתכונותיה באמצעות שדה חשמלי שהופעל בסביבתה. הם הוכיחו שהמטא-עדשה מסוגלת למעשה לתפקד בדומה לעין האנושית – או כמו טלסקופ או מצלמה משוכללת, המתבססים על מספר עדשות שמרוחקות ומקורבות זו לזו על מנת להגדיל את התמונה[4].
תאמרו עכשיו – אז מה העניין הגדול? גם בסמארטפון שלי יש אפשרות להגדיל את התמונה! אלא שלא זה המצב. בטלפון החכם יש עדשה זעירה אחת, ולפיכך לא ניתן לבצע בה "זום" אמיתי (אופטי), אלא דיגיטלי בלבד. זום דיגיטלי כזה אינו באמת מעשיר את פרטי התמונה, אלא רק מגדיל אותה למראית עין. אם תנסו להגדיל אותה בדרך זו, תגלו במהירות שהפרטים הקטנים נהיים מטושטשים. אתם מגדילים את התמונה אבל מאבדים את הרזולוציה.
המטא-עדשות מאפשרות להתגבר על בעיה זו, גם מבלי שנזדקק למספר עדשות זכוכית גדולות ויקרות, שצריכות להתרחק או להתקרב זו לזו. כל מה שצריך הוא מטא-עדשה אחת – בעובי אפסי – וזרם חשמלי. וזהו. זה מספיק כדי ליצור עדשה בגודל בלתי-נראה שאמורה (בסופו של דבר) להתחרות במצלמות המשוכללות ביותר שקיימות כיום. אה, והיא אמורה להיות גם זולה יותר מעדשות רגילות – לפחות ברגע שהטכנולוגיה תבשיל – מכיוון שניתן לייצר את העדשות האלו באמצעות אותו ציוד המקובל כיום בתעשיית המוליכים-למחצה. למעשה, שבב אחד יעובד באותו מפעל כך שיכיל רכיבים אלקטרוניים ומטא-עדשות ביחד.
כל זה לא אומר שהמטא-עדשות מושלמות. יש עדיין אתגרים בדרך למימוש ההבטחה הגדולה הטמונה בהן. הטכנולוגיה חדשה כל-כך שצריך עדיין להבין איך בדיוק להתאים את המכשירים הקיימים עבורה. הן גם קטנות מכדי לקלוט כמות גדולה של אור – אבל כשאפשר לייצר ולמקם אלפי עדשות באותו שטח בו הייתה אמורה להיות עדשה מסורתית אחת, למי אכפת? ביחד, הן יקלטו אותה כמות אור שקלטה העדשה המקורית. וכשאפשר למקם אותן גם בכל מקום אחר – על כל המשטח האחורי והקדמי של הסמארטפון, למשל – הן יהיו הרבה יותר יעילות מהעדשה הבודדה המסכנה שהסמארטפון שלכם מכיל כיום. ההתקדמות ליישומים מהסוג הזה תדרוש עוד מספר שנים, אבל אנחנו כבר בדרך לשם.
כל זה טוב ויפה, אבל איך המטא-עדשות ישנו את חייכם? באינסוף דרכים. דמיינו טלפון חכם שכולו מרוצף במטא-עדשות המסוגלות לתפקד כמיקרוסקופ משוכלל, ולזהות חיידקים (או אפילו נגיפים) בטיפת מים בודדה. בלחיצת כפתור, הוא יכול גם להפוך לטלסקופ ולצלם את כל הסובב אתכם ברזולוציה גבוהה וב- 360 מעלות. חישבו על רחפנים המכוסים במטא-עדשות שכאלו, ויכולים באותה קלות לצלם את הקרקע ברזולוציה גבוהה מגובה של מאות – או אלפי – מטרים, או לבחון את טיפות המים שבעננים כדי להבין מהו ההרכב הכימי שלהן.
בעצם, למה ללכת רחוק כל-כך? פשוט חישבו על משקפיים שבלחיצת כפתור יכולות להפוך לטלסקופ או למיקרוסקופ, למשקפי שמש או למשקפיים לראיית לילה – ועדיין להיראות ולהרגיש בדיוק אותו הדבר כלפי חוץ. אני הייתי קונה כאלה.
חשבו על עולם בו מצלמות כאלו נמצאות בכל מקום – על כל קיר, על כל משטח – וביחד מספקות לגוגל, או לפייסבוק, או לממשל סין, הבנה של כל המתרחש בעולם. לא עוד מצלמות בולטות ומסורבלות, הממוקמות על קירות הבניינים ברחובות, אלא מצלמות בלתי-נראות האוספות מידע כל העת.
אפילו מכשירי המציאות המדומה (והרבודה) יוכלו לזנק קדימה בזכות המטא-עדשות. נוכל להגיד שלום לקופסה השחורה הענקית שיושבת לנו על הראש, ולהחליף אותה במשקפיים עם מקרנים זעירים וחכמים. ואולי אפילו – מי יודע – גם בעדשות מגע המתפקדות בצורה דומה.
אז – שכנעתי אתכם כבר שאתם צריכים לדעת על מטא-עדשות?
מקורות והעשרה
[1] http://www3.weforum.org/docs/WEF_Top_10_Emerging_Technologies_2019_Report.pdf
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_the_telescope
