הרצאות TED – מושב ג’

שעת הרצאה: 9:15-9:30

ד”ר ויקטור צ’רנוב, המחלקה להנדסת מכונות

תחום המחקר: שריפה

שותפים למחקר: Juan Jose Cruz, Felipe Escudero, Andres Fuentes – Universidad Santa Maria Valparaiso, Chile 

תקציר: 

Soot, an undesirable product of combustion, ranks as the second-largest contributor to climate change and poses significant health and mechanical risks. Yet, measuring soot properties, particularly its volume fractions within flames, proves challenging due to harsh conditions and small fractions. Consequently, intricate and costly measurement setups are typically employed, often requiring line-of-sight measurements necessitating radial inversion, often achieved through Abel inversion, but susceptible to experimental uncertainties.

Our study proposes an enhanced approach. Leveraging cost-effective and reliable digital cameras with excellent image repeatability, we capture flame images to deduce soot volume fractions and temperature fields. The core methodology involves image recreation: assuming specific soot volume fractions and temperatures, paired with known camera properties, we simulate flame images by integrating local radiance along lines of sight. Combining camera’s spectral and intensity responses yields red, green, and blue pixel values, thus constructing an image.
In the beginning, initial assumptions on soot volume fractions and temperatures are made, generating a simulated image. Through iterative adjustment, we align the recreated and actual images, deriving accurate soot volume fractions and temperature fields, without resorting to Abel inversion. This streamlined camera-flame setup and iterative methodology circumvent complexities. Our study outlines the image recreation process, discusses iterative refinement, and offers comparisons with alternative measurement methods for soot volume fractions and temperature fields.

שעת הרצאה: 9:30-9:45

ד”ר דן קופרמן, המחלקה להוראה ולימודים כלליים

תחום המחקר: חינוך הנדסי

שותפים למחקר: ד”ר אירה רווה

תקציר: המהפכה התעשייתית הרביעית (תעשייה 4.0) ומערך הטכנולוגיות הדיגיטליות פורצות הדרך אשר בבסיסה, משפיעים באופן דרמטי לא רק על התהליך התעשייתי כי אם גם על הדרך בה אנו חיים, עובדים ולומדים. השינוי המתחולל מתבטא בין היתר בביקוש הולך וגובר לעובדים בעלי ארגז כלים חדש של כישורים, המתמקד באוריינות דיגיטלית ובידע ומיומנויות הרלוונטיים לעידן תעשייה 4.0. כפועל יוצא, מוסדות ההשכלה הגבוהה ניצבים בפני האתגר לספק לסטודנטים שלהם את הכישורים הדרושים לעידן זה, אתגר המצריך יישום גישות פדגוגיות ותכנים חדשים.
בעוד שהמחקר המדעי של העת האחרונה עוסק רבות במוכנות וההיערכות של התעשייה ועובדיה לעידן החדש, העיסוק במוכנות של ההשכלה הגבוהה לעידן זה מועט יחסית. המחקר בתחום כולל, בעיקר, התייחסות לתפיסות ולמיומנויות הרלוונטיות בקרב סטודנטים להשכלה גבוהה וכמעט ואינו מתייחס לסגלי ההוראה בהשכלה הגבוהה.
מטרת המחקר המוצג היא להקטין את פער הידע האמור ולגבש תובנות לגבי מוכנות סגל ההוראה לעידן החדש, הן ברמת המיומנות, הן ברמת התפיסות והן ברמת הנכונות לשלב טכנולוגיות של תעשייה 4.0 בהוראה שלהם. אוכלוסיית המחקר כללה 107 חברי סגל אקדמי, מתוכם 84 מהמכללה האקדמית להנדסה בראודה בכרמיאל. הנתונים נאספו בשאלון מקוון ונותחו באמצעות שיטות כמותית ואיכותנית.
הממצאים מצביעים כי רק מיעוטם של חברי סגל ההוראה מעידים על עצמם כבעלי ידע ומיומנויות מספקים להוראה של נושאים בתחום הטכנולוגיות של תעשייה 4.0. השאר חסרי מודעות לחשיבות הנושא או תוהים לגבי הדרך לשילובן של הטכנולוגיות הנ”ל בקורסים אקדמיים ומבקשים כלים ותמיכה בנושא.
התוצאות ממחישות את החשיבות של חשיפת הסגל האקדמי לטכנולוגיות הנ”ל ומצביעות על הצורך של קובעי המדיניות בהשכלה הגבוהה להקים ולהטמיע פלטפורמות מתאימות כדי לעשות זאת, תוך מתן תמיכה מקצועית מתאימה בתהליך שילוב הטכנולוגיות בקורסים אקדמיים.

שעת הרצאה: 9:45-10:00

פרופ”ח אמיל סוקאן, המחלקה למתמטיקה שימושית

תחום המחקר: גיאומטריה דיסקרטית, רשתות מורכבות

שותפים למחקר: Kevin Murgas and Romeil Sandhu – Stony Brook University

תקציר: 

In stem cell biology, cellular pluripotency describes the capacity of a given cell to differentiate into multiple cell types. From a statistical physics perspective, entropy provides a statistical measure of randomness and has been demonstrated as a way to quantitate pluripotency when considering biological gene networks. Furthermore, recent theoretical work has established a relationship between entropy and Ricci curvature (a geometric measure of “flatness”, also related to robustness) which one can exploit to link the deterministic geometric quantity of curvature to the statistical quantity of entropy. Therefore, this study seeks to explore Ricci curvature in biological gene networks as a descriptor of pluripotency and robustness among gene pathways. In the context of discrete biological gene networks, Ricci curvature can be formulated by one of several approaches. Here, we investigate Forman-Ricci curvature, a combinatorial discretization of Ricci curvature, along with network entropy to explore the relationship of the two quantities as they occur in gene networks. First, we demonstrate our approach on an experiment of stem cell gene expression data. As expected, we find Ricci curvature directly correlates with network entropy, suggesting Ricci curvature could serve as an indicator for cellular pluripotency much like entropy. Second, we measure Forman-Ricci curvature in a dataset of cancer and non-cancer single-cells from melanoma patients. We again find a global measure of Ricci curvature is increased in the cancer state, reflecting increased pluripotency or “stemness”. Further, we locally examine differential curvature on the gene-level to identify several genes and gene pathways with known relevance to melanoma. In turn, we conclude Forman-Ricci curvature provides valuable biological information related to pluripotency and pathway functionality. In particular, the advantages of this geometric approach are promising for extension to higher-order topological structures in order to represent more complex features of biological systems.

שעת הרצאה: 10:00-10:15

ד”ר אמאל רוחאנא-טובי, המחלקה להנדסת ביוטכנולוגיה

תחום המחקר: תוספי מזון ממקורות טבעיים

שותפים למחקר: הסטודנט עלי בשיר

תקציר: 

צבע המזון הוא פרמטר שתעשיית המזון נדרשת לשמור על אחידותו במוצר, כאשר מקורו בחומרי הגלם או מתוספים. חלק מהתוספים סינטטיים, בד”כ יציבים, אך לחלק מהם אפקט שלילי על בריאות האדם מה שמחייב את התעשייה להגביל את השימוש בהם, ואחרים טבעיים. צבעים ממקור טבעי ידועים כבטוחים יותר, אך מצד שני רובם רגישים לתנאי היצור ו\או האחסון, מה שמקטין את יציבותם ומהווה בעיה בשמירה על תכונות המוצר לאורך חיי-המדף. על כן, אחד מתחומי המחקר במדעי המזון הינו לחפש פיגמנטים ממקור טבעי השומרים על יציבותם בתהליכי העיבוד והאחסון. הצמח Malva sylvestris הידוע בשם העממי “חוביזה”, נפוץ במטבח המזרח תיכוני, צבעו ירוק, ומחקרים רבים מדווחים על תכולה של רכיבים המועילים לבריאות האדם, בצמח.
מטרות המחקר הנוכחי : 1. להפיק תמציות מצמח החוביזה בתנאים שונים. 2. לבדוק יציבות באחסון ובשילוב בתוך מערכות מודל של מוצרי מזון. 3. לבדוק תכולה של כלורופיל, וטוקופירול בתמצית.
בשלב ראשון נאספו עלים מצמח החוביזה, הוקפאו ב- -80оC, ועברו ייבוש בהקפאה עד קבלת אבקה עם פעילות מים 0.15. בשלב זה התקבלו 220 מ”ג אבקה לגרם עלי צמח טריים. האבקה עברה מיצוי בעזרת אתנול: אצטון (1:1), ויבוש במאייד ואקום סובב, והתקבלו 9.1 מ”ג תמצית לגרם עלים טריים.
התמצית הוספה לשמן מאכל ונמצא כי, באחסון בטמפרטורת חדר למשך חודשיים הירידה בריכוז הכלורופיל מתונה יותר בתנאי חושך. בנוסף, הפיגמנט הירוק נשמר באופן אחיד בתוך אמולסיה של שמן במים אשר נשמרה בקירור למשך שלושה שבועות, בנוכחות מייצב. בדיקת טוקופירול בתמצית בעזרת HPLC הראתה ריכוז של 4 מ”ג לגרם תמצית.
לסיכום התקבלה תמצית בצבע ירוק עם פוטנציאל יישום במוצרי מזון, הן שומניים והן בצורת אמולסיה.

שעת הרצאה: 10:15-10:30

ד”ר איריס וייץ, המחלקה להנדסת ביוטכנולוגיה

תחום המחקר: ננו חומרים פונקציונלין

תקציר: 

Tiny copper oxide (CuO) nanoparticles (NPs) have been considered as a “one-for-all” material since these NPs can serve as a single building block that possesses inherent multifunctional properties. As previously demonstrated by our laboratory, CuO-NPs can be used for several functions at the same time, such as enhancement of image contrast in two independent diagnostic imaging modalities i.e., magnetic resonance imaging (MRI) and ultrasound (US), and cytotoxic activity on cancer cell lines. They are also effective against infections caused by bacteria, viruses, and candida. These qualities make them a superior candidate for theranostic applications. Further study of the potential clinical use mainly concerns controlling CuO release in the targeted site avoiding adverse effects and improving therapeutic and diagnostic outcomes. Recently, we developed near-infrared (NIR) light-responsive drug delivery systems showing effective and rapid CuO NPs release with higher heating efficiency. Examples of polydopamine as stimuli-responsive agent combined with CuO NPs-based polymeric nanocarriers will be presented introducing a new tool for minimally non-invasive and effective modality for cancer treatment. Together, this allows us to design a thermal therapy approach capable of killing tumor cells with low laser power and shorter times reducing collateral damage to healthy tissues surrounding the target.

שעת הרצאה: 10:30-10:45

ד”ר איילת גולדשטיין, המחלקה להנדסת מכונות

תחום המחקר: זרימה דו פאזית

שותפים למחקר: ד”ר עפר אייל, פרופ’ נעימה בראונר, פרופ’ עמוס אולמן

תקציר: בזרימה דו-פאזית בצינור ישנו קו הקונטקט ליין שהוא קו המפגש בין שתי הפאזות השונות עם הדופן. בתנאים מסוימים יתקבל מצב של התבדרות מאמצים עבור אילוץ של תנאי שפה אי-החלקה על הדופן. זהו מצב לא פיזיקלי ולכן אנו משנים את האילוץ לתנאי נאביה של החלקה על הדופן כדי לבחון האם תתקבל רגולריזציית מאמצים. הפתרון הינו טור פורייה כאשר מציג אוסף של “מגדלים” של חזקות שונות המתקבלים כתוצאה מתנאי השפה. ככל שאנו מתקרבים לקונטקט ליין, הפתרון מתקבל על-ידי החזקה המינימלית האפשרית שהיא גם הדומיננטית. נמצא כי אכן תנאי זה מרגלר את המאמצים לערכים סופיים. בנוסף, נעשה חישוב של שטף מאמצים על משטח הדופן כאשר וקטור המאמץ הינו ביטוי אלגנטי לטנזור המאמצים, אשר על-ידי השיפוע המתקבל, ניתן לזהות במבט חטוף איזה איזה רכיב מאמץ דומיננטי. פתרונות אלו מתאימים לבעיות סינגולריות שונות ולא רק בתחום הזרימה, כמו אופטיקה, שדות חשמליים ועוד. מבחינת היישום הרפואי, למשל, זה יכול לשמש בתור כלי אבחוני עבור צפי להיווצרות קרישי דם.

שעת הרצאה: 11:15-11:30

ד”ר סמי אבו סאלח, המחלקה להנדסת מכונות

תחום המחקר: מכניקה של מיקרו מבנים, פתרון של בעיות מולטי-פיסיקס

תקציר:

This study presents an analytical study of the electromechanical buckling of a micro thin film bonded to a compliant elastic substrate. The film is simultaneously subjected to compression equi-biaxial stress and to a uniform electrostatic force. The electrostatic force is induced by applying a voltage difference between an upper elastic film electrode and a bottom rigid, fixed, and grounded electrode. When the applied compression stress is smaller than the critical buckling stress, the film contracts while maintaining its planar shape. However, it has been found that if electrostatic force is combined with the mechanical compression load and reaches a critical value of voltage, the film buckles into high-ordered periodic patterns. Motivated by the experimental results of other investigators, this study examines the critical buckling state of the one-dimensional, square checkerboard, hexagonal, and herringbone patterns. We show that all the above reasonable patterns are associated with the same critical electromechanical buckling state, characterized by the buckling voltage and critical wavelength. Finally, elastic ripples that emerge as a result of the electromechanical buckling of the film can be generated or removed by a simple On/Off switching of the voltage. The ability to generate and remove elastic ripples tremendously increases the potential of such microsystem to be utilized in different applications in the field of Micro and Nano electromechanical systems such as micro mirrors.

שעת הרצאה: 11:30-11:45

ד”ר שמואל קוסולאפוב, המחלקה להנדסת חשמל ואלקטרוניקה 

תחום המחקר: Image Processing

תקציר: 

manipulations in a specific image. Unfortunately, whereas Value and Saturation can be calculated in any situation, Hue cannot be calculated when the specific pixel is gray. Even more, for dark regions, nearly gray regions, and for overbleached regions, the calculation of the Hue is non-reliable. Inherent to digital image noise makes the calculations of Hue in the above situations even more problematic. In an attempt to provide more control during color manipulations, an extended structure “sHSVF” was defined. Values of the fields in this structure make it possible to classify the specific pixel as “IS_VALID”, “HAS_ZERO”, “IS_TOO_GRAY”, IS_OVERBLEACHED”, “IS_TOO_DARK”, “IS_TOO_LIGHT”, and properly set the “Validity Flag” for each pixel of the image. This flag may be instrumental in color recognition and in reliably modifying the color of the pixels in accordance with the selected rules. By selecting values of the “sValidityParameters”, the user of the algorithm can specify situations when the color of the specific pixel is set to the pre-defined value, marking problematic situations. Provided examples demonstrate that this approach can be used for reliable color recognition and advanced color manipulations for synthetic and real-life images

שעת הרצאה: 11:45-12:00

פרופ”ח מיכאל רגב, המחלקה להנדסת מכונות

תחום המחקר: הנדסת חומרים

שותפים למחקר: Prof. Stefano Spigarelli, Ancona, Italy

תקציר ההרצאה: 

Metallurgical and Mechanical Properties of Friction Stir Welded Pure Titanium
Michael Regev 1, Stefano Spigarelli 2
1Department of Mechanical Engineering, Braude College, P.O. Box 78, Karmiel 21982, Israel
2DIISM, Università Politecnica delle Marche, Ancona 60131, Italy
Commercially pure titanium (CP-Ti) plates were friction stir welded (FSWed) using a welding tool with a tungsten carbide (WC) pin. The bead-on-plate technique was applied to reduce the effects of welding defects, such as incomplete penetration. Many publications dealt with creep studies of CP-Ti, however, no publication refers to the creep behavior of a FSW’ed joint. The current paper, which is a part of a broader research, focuses on the metallurgical processes occurring during the creep of a FSW’ed CP-Ti joint at the temperature range of 550-6500C. Necking and creep fracture occurred, in all cases, at the parent material (PM) and not at the thermo mechanically affected zone (TMAZ). This shows, in turn, that the TMAZ is more creep resistant than the parent material. Fractography yielded that the fracture surface were typical for creep fracture and that the fracture mechanism was microvoid coalescence. It also ruled out any pre-existing
defect. TEM study of broken crept specimens revealed randomly distributed dislocations but no evidence of grain refinement. It was concluded, therefore, that dislocation glide was the dominant creep mechanism. The
technological implication of the current study is that the welding process is safe for use as far as the creep properties are concerned.

שעת הרצאה: 12:00-12:15

ד”ר לילך יסעור קרוח, המחלקה להנדסת ביוטכנולוגיה

תחום המחקר: אינטראקציות בין צמחים לחיידקים

שותפים למחקר: עינת צחורי פיין, ורד נאור, שחל עבו, עודד שוסיוב, בטי שוורץ

תקציר: כאשר אנחנו חושבים על המושג אקולוגיה בעיני רובנו עולה תמונה של הסוואנה באפריקה: אריה משחר לטרף, עדרים של ראמים ניזונים מהעשבייה ובכך משפיעים על סביבתם. ואכן, ההגדרה של אקולוגיה הינה כלל יחסי הגומלין בין בית גידול לאוכלוסיות הנמצאות בו. אקולוגיה מיקרוביאלית הינה אקולוגיה של חיידקים ושאר מיקרואורגניזמים, שלמרות גודלם הקטן (מאד), יחסי הגומלין בינם לבין סביבתם זהים למערכות המוכרות: יחסים של טריפה, תחרות על מקום ומזון ואף מלחמה בנשק לא קונבציונאלי על ידי הפרשת חומרים כימיים הינה נפוצה באוכלוסיות חיידקיות אלו. מכיוון שהאוכלוסיות של החיידקים הינן קטנות, בית הגידול אף הוא אינו גדול ואפילו רקמת עלה בצמח יכולה להוות סביבה הולמת לגידול כמות גבוהה וסוגים שונים של אוכלוסיות חיידקיות. אוכלוסיות אלו יכולות להיות מזיקות ולחולל מחלות בפונדקאי שלהן או מועילות המפרישות ויטמינים והורמונים שונים. שיווי המשקל בין האוכלוסיות השונות באיבר המאוכלס הינו אחד הדברים שקובע האם הצמח בריא או נגוע במחלה.
במעבדת המחקר שלי המתמקדת ביחסי צמח- חיידק אני מאפיינת את האקולוגיה של אוכלוסיות חיידקיות בתוך הצמח ומבודדת אוכלוסיות מועילות היכולות להועיל לצמח הן כביודשן והן כמדבירים ביולוגיים. הבנת יחסי הגומלין בין התבדידים לצמח ולחברת החיידקים הטבעית ובחינת דרכי יישום שונות כולל האורגניזם השלם או המטבוליטים אותם הוא מפריש מחברות בין אקולוגיה ומדע בסיסי ליישום ותעשייה.
בנוסף, בחברת הזנק שהקמתי “wonder veggies” אני מנסה להחדיר לצמחים חיידקים פרוביוטיים אנושיים על מנת לייצר סלט פרוביוטי שיימכר לצרכן כFood as medicine.
בהרצאה הנוכחית אתן סקירה קצרה על מספר מחקרים שלי המתמקדים במעבר בין אקולוגיה מיקרוביאלית ליישום חיידקים מועילים בצמח.

שעת הרצאה: 12:30-12:45

ד”ר אלעד דננברג, המחלקה להנדסת מכונות

תחום המחקר: שימושים הנדסיים לבינה מלאכותית, אופטימיזציה ובקרה

שותפים למחקר: איליה זלדנר

תקציר: כמות הזבל החללי גדלה באופן מתמיד מאז תחילת עידן החלל, אבל בשנים האחרונות נוספו במסלולים קרובים גם אלפי לוויינים קטנים בקונסטלציות גדולות (כמו סטארלינק של ספייס אקס, קוויפר של אמאזון ו-וואן ווב של איירבאס) שמטרתם ליצור רשת תקשורת עולמית. כך נוצר מצב שבו מסלולים שלמים צפופים וקיים חשש שהתנגשויות בין לוויינים או בין לוויין לזבל במסלולים אלו יובילו לאפקט קסלר: מצב בו אי אפשר לשגר יותר לוויינים למסלול מסוים.
ניתוח של דוחות שסטארלינק פרסמה מעיד שהלוויינים בקונסטלציה מתמרנים בממוצע כפעם בחודש על מנת להימנע מהתנגשות עם זבל חללי או לווין של חברה אחרת. זו כמות תמרונים מאוד משמעותית והצפי הוא שכמות התמרונים שיש לחשב תגדל בצורה מעריכית. כיום החישובים נעשים בעזרת מערכת אוטומטית על הקרקע, אבל בעתיד עלולות להיווצר בעיות עומס, ותזמוני תקשורת על המערכת.
מטרת המחקר הזה היא ליישם אלגוריתמים יעילים לחישוב סיכוי להתנגשות, לתכנן תמרון התחמקות בתוך הלווין עצמו, ובכך להוריד עומס מתחנות הקרקע. שיפור זה בלוויינים יאפשר גם שליטה על קונסטלציות מסביב לירח ולמאדים. הלוויינים יבצעו בעצמם תמרוני התחמקות.
המחקר נעשה בשיתוף פרויקט גמר ופרויקטים מצטיינים של סטודנטים מהמחלקות להנדסת מכונות ותוכנה. הסטודנטים מפתחים אלגוריתמים ומיישמים אותם על כרטיסי עיבוד של לוויין, כרטיסים שמסוגלים לעבור שיגור, ובכך מפתחים את המערכת תוך הוכחת התכנות.
המחקר הינו פורץ דרך. לא קיים היום לוויין שעושה את החישובים האלה בעצמו היות והם נחשבים “כבדים”. הסטודנטים מוכיחים שאלגוריתמים לחישוב מרחק בין שני גופים במסלול, שפותחו על ידי סגל המכללה, יעילים מספיק כדי לרוץ על מחשבי הלוויין. בנוסף מפותחים אלגוריתמים יעילים נוספים לחישוב מיקום הלוויין בזמן, כך שתיווצר מערכת תכנה כוללת שתאפשר לוויין אוטונומי.

שעת הרצאה: 13:00-13:15

ד”ר גלעד אלפסי, המחלקה להנדסת ביוטכנולוגיה

תחום המחקר: הפיכת פסולת צמחית לביו-דלק

תקציר:

A significant part of biomass waste (crops residue) is currently burned in an uncontrolled manner, this burning causes odor, smoke hazards and environmental air pollution. Therefore, an effective conversion of this waste to biofuels is essential. The main components of this waste is called ligno-cellulose. It is a complex of cellulose and hemicellulose located in a lignin shell, whose original role was to strengthen and protect the plant. While cellulose and hemicellulose can be converted to biofuels through enzymatic hydrolysis and fermentation reactions, lignin can be used as a raw material for the adhesive industry, plastics and more. For effective hydrolysis, two sequential processes are required: extraction of lignin followed by disruption of the cellulose crystal structure. A combination of these processes harms the economics and maturation of biofuels from biomass waste.
The current research focuses on developing a technology to disrupt the cellulose-hemicellulose-lignin complex and cellulose crystal structure, in a single step without lignin separation. It uses a low-cost aqueous solvent, that swells the cellulose fibrils inside the complex, without removal of lignin, allowing effective enzymatic cellulose hydrolysis. Thus, cellulose conversion rate is increased despite lignin presence, which reduces the solvents and enzymes costs and makes the process more efficient and economical.

שעת הרצאה: 13:15-13:30

ד”ר זכריה פרנקל, המחלקה להנדסת תוכנה   

תחום המחקר: Bioinformatics

שותפים למחקר:Siarhei A. Dabravolski

תקציר:

Mitochondrial-derived peptides (MDPs) are small bioactive peptides encoded by mitochondrial DNA. While several very important for medicine activities of MDPs are well studied, they described mostly in human and very limited number of other vertebrate species. Because of short length and hidden location, MDPs are not available for popular protein and gene search tools. According, the global tree of life of MDPs prevalence in known organisms is missing. Detection of the MDPs through different species would help to understand their functionality and make easier their application.
To solve this problem, we are going to apply the Protein Connectivity Network (PCN) – a powerful tool for detection of hidden homology between protein sequences developed by us in collaboration with prof. Trifonov from the Haifa university about 15 years ago. The PCN is a similarity graph constructed from the sequence fragments of the selected size, connected by Hamming distance criterion. The bottleneck of the method is the PCN calculation, requiring multiple searching of similar sequences in a large protein sequence database. We are going to carry out this calculation with the help of our new version of the k-mismatch search algorithm. This version applies a new generalization of the prefix-tree and allows to run it even on low-performance computers.
The result of the research will approve our method for detection of the new proteins, undetectable by other methods, and demonstrate in practice the power of the improved version of the k-mismatch search algorithm.