חישוב באמצעות מים מלוחים: נועה עדרי פריימן זכתה בפרס על אחת מההדגמות המצטיינות בכנס ISCAS 2025

הדוקטורנטית נועה עדרי פריימן זכתה בפרס על אחת מההדגמות המצטיינות בכנס ISCAS 2025 – כנס שנתי של IEEE שנערך בחודש מאי בלונדון. בכנס, שהוא הכנס הגדול ביותר של קהילת המעגלים והמערכות, הוצגו מעל ל-1000 מאמרים. עדרי פריימן הציגה בו הדגמה של עבודה חדשנית, הנעשית כחלק משיתוף פעולה בין המעבדה של פרופ' אלכס פיש מהפקולטה להנדסה באוניברסיטת בר-אילן, לבין המעבדה של פרופ' גלעד יוסיפון מאוניברסיטת תל אביב. ההדגמה כללה מעגל יונטרוני – מעגל המבוסס על רכיבים ננו-פלואידיים, המאפשרים שליטה חשמלית על תנועת יונים בתוך תמיסה.

"סקרן אותי לבדוק אם אפשר לגשת בצורה חדשה למושג מעגל חשמלי – וליישם את מה שלמדנו כמהנדסים גם על מעגלים יוניים", היא מספרת. "בכנס הצגנו מערכת מדידה והדגמה, שבנינו על גבי PCB, מתוך מטרה לאפשר למהנדסים להתנסות לראשונה במעגלים יונטרוניים משולבים. זו הייתה הפעם הראשונה שמעגל כזה הוצג מחוץ למעבדה והיה מרגש לראות את ההתעניינות והסקרנות הרבה שזה עורר".

נועה עדרי פריימן נמצאת בימים אלה בשלבים האחרונים של עבודת הדוקטורט שלה. לאחר שסיימה תואר ראשון בהנדסת חשמל באוניברסיטת בן-גוריון, הצטרפה לבר-אילן ולמעבדתו של פרופ' אלכס פיש. "בתואר השני רציתי להתמקד באלקטרוניקה הקלאסית, בתחומים הרלוונטיים ביותר לתעשייה, ועבדתי על זיכרונות מוטמעים בעלי צריכת אנרגיה אופטימלית", היא מספרת. "לאחר התואר השני, עבדתי כמה שנים במעבדות Enics, במעבדת SoC המתמחה בתכנון מערכות על שבב. בתפקידי כמהנדסת וריפיקציה עבדתי בשיתוף פעולה הדוק עם חברות בתעשייה, והייתה זו תקופה משמעותית ומלמדת עבורי". במקביל, הפכה נועה למנהלת מעבדת המחקר של פרופ' אלכס פיש, השילוב הייחודי בין הניסיון התעשייתי בתחום ה-SoC designלעולם המחקר האקדמי הניע אותה לחזור לעבודה מחקרית ולהעמיק אותה במסגרת לימודי הדוקטורט.

המטרה: חומרה בהשראת מערכות ביולוגיות

במחקר שלה היא משתמשת בכלים מעולם האלקטרוניקה כדי לפתח חומרה שלא מבוססת רק על אלקטרונים, אלא מתקרבת יותר לעולם הביולוגיה. "בתחום האלקטרוניקה צברו ניסיון רב במעבר הדרגתי מרכיב בודד, למעגל, למערכת – תהליך שמאפשר תכנון היררכי ומודולרי של חומרה מורכבת. המטרה שלי היא לראות אם אפשר לעשות תהליך דומה גם בעולמות אחרים. במקביל, מעניין לשאול האם אפשר ללמוד מהעקרונות של הביולוגיה ולהרחיב דרכם את אפשרויות החישוב. ככה למשל הגעתי לתחום של חישוב מבוסס DNA, בעקבות הקורס 'חישוב ביולוגי' של פרופ' הלל קוגלר, או לרעיון של תקשורת באמצעות מולקולות – נושא שעלה במסגרת פרויקט משותף שהציעה פרופ' רחלה פופובצר", היא מספרת. "ככה זה התחיל להתגלגל – נושא שהיה מאוד שונה, אולי אפילו מוזר. אבל כשחושבים על זה, מערכות שמבוססות על עקרונות ביולוגיים נכנסו בשנים האחרונות חזק מאוד לעולם ההנדסה. כל התחום של בינה מלאכותית, למשל, נולד מתוך השראה ממבנים ביולוגיים, כמו רשתות עצביות. במחקר אנחנו מנסים ללמוד לא רק מהעקרונות האלה, אלא גם להתקרב לסביבה ולחומרים שהביולוגיה משתמשת בהם – למשל, לפתח מעגלים שפועלים בתווך מימי, או להשתמש ביונים כנשאים של מידע במקום באלקטרונים. זה הרבה יותר דומה לאיך שהגוף שלנו מעבד מידע".

במסגרת המחקר, יצרה עדרי פריימן יחד עם פרופ' פיש קשר עם המעבדה של פרופ' גלעד יוסיפון מאוניברסיטת תל אביב, שמגיע מתחום ההנדסה המכנית ומתמחה בהתקנים מבוססי ננו-זרימה. "הרעיון שהיה נראה דמיוני בהתחלה – הפך, בזכות שיתוף הפעולה, לדבר אמיתי. פרופ' יוסיפון והצוות שלו הביאו את המומחיות בפיתוח רכיבי ננו-זרימה, ואנחנו הבאנו את הידע מעולם האלקטרוניקה והמעגלים. עבדנו יחד כדי לחבר בין העולמות – לקחת את הרכיב הבודד ולהפוך אותו לחלק ממעגל, ואז לחבר כמה רכיבים לכדי מערכת שיכולה לבצע פעולות חישוביות", היא מספרת. "עבדתי על זה עם הדוקטורנט שלו, ברק סבג, וזה היה תהליך שלקח זמן. התקדמנו בהדרגה – מרכיב בודד, לשער לוגי, אחר כך חיברנו כמה שערים יחד, עד שלבסוף הצלחנו לבנות את המעגל החישובי המשולב הגדול ביותר שפותח עד כה בטכנולוגיה הזו".

הפוטנציאל בשילוב בין חשמל ומים

המעגל הזה, מהפכני ככל שיהיה, לא היה חף מאתגרים. "בשלבים הראשונים היינו חייבים למדוד את הצ'יפ הפלואידי סמוך מאוד למועד הייצור, כי אחרת הוא היה מתייבש", היא מספרת. "בנוסף, ככל שהמעגל נעשה מורכב יותר – עם יותר שערים ורכיבים – נדרשו גם יותר קווי בקרה ומדידה, וזה הקשה על ההתקדמות לעבר מעגלים גדולים יותר".

כדי להתמודד עם המגבלות האלה, חיברו עדרי פריימן והצוות את המעגל ללוח PCB, בדומה ללוחות המקובלים במעגלים אלקטרוניים, והוסיפו שכבת איטום שמונעת אידוי. "שני הצעדים האלה אפשרו לנו ליצור פלטפורמת מדידה והדגמה קומפקטית, שנשמרת לאורך זמן – מה שמקל מאוד על העבודה ומאפשר להציג את המערכת בצורה נגישה יותר", היא מסבירה. "המטרה היא לא רק לבנות את המעגל, אלא גם להנגיש את הטכנולוגיה, כדי שעוד אנשים יוכלו לחשוב עליה ולהציע רעיונות חדשים".

עם הלוח הזה, השתתפו עדרי פריימן ופרופ' פיש בכנס ISCAS. "בכנס הצגנו צ'יפ פועל שנשלט על ידי מיקרו-בקר, ואפשרנו למשתתפים להתנסות בעצמם – לשנות את הכניסות, לראות את תגובת המעגל החישובי, להזריק את התמיסה עם היונים, ולהבחין בהשפעה על ההתנהגות החשמלית", היא מתארת. "לא ידענו איך זה יתקבל. בסופו של דבר, מדובר רק בכמה שערים לוגיים, ומהנדסי חשמל עלולים לראות בזה משהו מוזר או פשוט מדי. אבל עמדנו שם כמעט תשע שעות – ואנשים פשוט המשיכו להגיע, לשאול, להתעניין. היו שיחות עמוקות, החלפת מיילים, ואפילו הצעות לשיתופי פעולה. נראה שהשילוב הזה – של חשמל עם מים, ושל דרך חישוב קצת אחרת – עורר הרבה סקרנות". בסופו של דבר, ההדגמה זכתה גם באחד משלושת הפרסים לדמו המצטיין של הכנס.

הזדמנויות חדשות

פרס הדמו המצטיין אינו הפרס היחיד בו זכתה עדרי פריימן בעת האחרונה. גם במאגד הביוצ'יפ הישראלי של רשות החדשנות בישראל הכירו בעבודתה הייחודית, והעניקו לה את פרס החוקרת המצטיינת. זאת, בעבור פיתוח מודל לדיודה יונטרונית, על התכנון, הסימולציה והניתוח של מעגלים יונטרוניים, ועל תפקידה המרכזי במימוש מערכת הדגמה יונטרונית. וכמובן, היא גם פרסמה בנושא. מאמר שעוסק במימוש המעגלים פורסם במגזין  ACS Applied Materials & Interfaces (את המאמר תוכלו לקרוא כאן). מאמר נוסף, העוסק במודל הדיודה, התקבל לאחרונה ל-communications engineering של nature portfolio.

והמחקר, כמובן, נמשך. "בשלב הבא אנו רוצים לראות כיצד אפשר באמת ללמוד מהמערכות הביולוגיות ולהשתמש במאפיינים הייחודיים של רכיבים מבוססי יונים לביצוע חישוב. למשל, תכונות הזיכרון והעובדה שקיימים סוגים שונים של יונים, בניגוד לאלקטרונים שמוגבלים לסוג אחד בלבד", היא מספרת. "במקביל, בשיתוף פעולה עם פרופ' אורית שפי, אנו מנסים לבחון האם ניתן לייצר ממשק בין המעגלים היוניים המשולבים לבין נוירונים הגדלים על שבב. הדרך עוד ארוכה, אבל זה תחום מרתק ומלא בהזדמנויות חדשות".