מרחפים על גלי קול עם ריחוף אקוסטי! ®COMSOL Multiphysics בשירות הרפואה

לקול יש כוח מעורר כבוד. תחת התנאים הנכונים, הוא מסוגל לבצע מניפולציה ולשנות את מצב הצבירה. התעשייה הפרמצבטית פונה לריחוף אקוסטי כדי לענות על הצורך התמידי במערכות למסירת תרופות בעלות איכות גבוהה, במיוחד כאשר מתרחבת טכנולוגיית הטיפול בחולים והופכת מותאמת אישית יותר.

במעבדה הלאומית ארגון, חלק ממשרד האנרגיה האמריקאי, קמלש סות’ר וכריס בנמור עומלים רבות על הטמעת טכנולוגיה אקוסטית שתשנה את הייצור של תרופות. הצוות פונה לסימולציה מולטיפיזיקלית ב- ®COMSOL Multiphysics בכדי לשפר את המרחף האקוסטי שלהם – מתקן המייצר גלי קול כדי להרים ולשנות חומר (מצב צבירה).

תרופות המיוצרות בצורה אקוסטית

ע”י עירבוב כימיקלים בעודם מסתובבים וצפים באוויר, ארגון עובדים על סיוע בייצור יעיל יותר והעברה של מוצרי תרופות. בסביבה מבוקרת, המרחף מספק חלל נטול כלי קיבול וחסר חומרים מזהמים לטובת יצירת כימיקלים אמורפיים בטיהור גבוה. לפי הצוות של ארגון, “תרופות אמורפיות רבות מעורבבות עם פולימר במטרה להשאירן יציבות לאורך זמן”. בנקודת האמצע של כל צומת של הגלים העומדים במרחף האקוסטי של סות’ר, מולקולות מתגבשות לטיפות ויוצרות כדורים קטנים. הטיפות צפות מילימטרים ספורים בנפרד ומסתובבות בעדינות, ונתלים בין שני מתמרים פייזואלקטריים קטנים.
גובה ותדר הגבוהים במקצת מהטווח שניתן לשמוע אותו, 160 db ו- 220 KHz, מייצרים גלים אקוסטיים עומדים עם כיסים של אזורי לחץ גבוה. המתמרים ממירים אנרגיה חשמלית ללחץ אקוסטי. השיטה שנקבעה במקום ע”י סות’ר ובנמור היא טכניקה עוצמתית לפיתוח תרופות. קל יותר לגוף האנושי לספוג ולעבד כימיקלים אמורפיים שכן הם יותר מסיסים וספיגים מאשר בצורתם הקריסטלית.

יכולת ההרמה של כוח אקוסטופורטי

תכנון הגיאומטריה בצורה הנכונה כדי לשלוט בתזוזה של החלקיקים הוא קריטי לתפקוד המתקן המרחף. בניסוי זה, מספר כוחות מאוזנים פועלים יחדיו כדי ליצור תופעה שתאפשר לחלקיקים לצוף בדרך מבוקרת. יש לקחת בחשבון בהקשר של הטיפות את: הכוח האקוסטופורטי, אינטראקציית חלקיק-חלקיק, סחיבה, כוח משיכה ומתיחות של פני השטח. תבניות ספציפיות של קצף בפרופיל גאוסיאני העשוי פוליסטירן תוכננו להסיר כל גל אקוסטי בלתי רצוי הנוצר ע”י המתמרים, ומתפקדות כמסננות לאורך הקצה של כל אחד, יוצרות גל עומד מוגדר היטב המשתקף בצורה שווה, עם התערבות קלה. פרמטרים אלו גורמים לחלקיקים להסתדר בצורה אנכית, ואז מתגבשים במהירות לכדי טיפות. הטיפות נשארות בפוזיציה האנכית הרצויה הזו כיוון שהן נעות כל הזמן בכיוון אופקי.

כיצד סימולציה אקוסטית משתווה לניסויים
הצוות יצר סימולציה ב- ®COMSOL Multiphysics על מנת לאמת את ניסויי הרנטגן המבוססי סינכרוטרון ב- APS (Advanced Photon Source), מתקן האוחז באיחסון המבריק ביותר של קרני רנטגן המיוצרים במעגל, בכל חצי הכדור המערבי. הם השתמשו במודול האקוסטיקה ובמודול מעקב חלקיקים, תוספות ב- ®COMSOL. בתחילה הם התחשבו בתדר ובמאפייני החומר של המתמרים הפייזואלקטריים ובכל תופעה תרמית העשויה להשפיע על המתקן המרחף. אחרי כן הם השתמשו בשיטה של ניסוי וטעייה כדי למצוא גיאומטריית קצף שתאפשר להם לשלוט בצורת ההתגבשות של טיפה בודדת.
בנוסף, הם בחנו כיצד שינויים בצמיגות ובמתיחות פני השטח עשויים להשפיע על הצורה שלהם. ההתערבות יוצרת מבני טיפה אשר סות’ר מיפה עם סימולציית אינטראקציית מבנה-נוזל. הוא התחשב בכל ההשפעות הרלוונטיות ע”י שימוש במודול CFD ושיטה לקביעת רמות, דרך נומרית להמשך המעקב אחר ממשקים בין אמצעים שונים במהלך הסימולציה. שימוש בשיטה הזו בשליטה על הצורה של טיפות במעברים שונים של שלבים אקוסטיים סייע לסות’ר להשיג צורה כדורית ולשלוט בדרך בה הטיפות מושפעות הדדית.

כאשר החוקרים הריצו את הניסוי שמאמת את התכנון, הם גילו כי תוצאות הסימולציה היו עקביות עם התנהגות הטיפות בתמונות במהירות גבוהה שהם צילמו ב- APS. תוצאות הסימולציה המציגות את התפלגות השדה האקוסטי היו אף הן תואמות לתוצאות הניסוי. כפי שסות’ר מסביר, “עם ההתערבות המבנית של גלי לחץ, אנחנו מקבלים גל לחץ עומד עם כיסי לחץ חיוביים ושליליים. בתוך הכיסים הללו, הקול מגיע בערך לרמה של ריחוף טיפת המים. אז אם משפריצים מים, הטיפות נדחפות למרכז הריחוף בשל כוחות האיזון המעורבים”.
החוקרים בארגון גיבשו את התכנון שלהם בעזרת סימולציה מולטיפיזיקלית. ככל שהמדענים יוסיפו לחדד את התכנונים של המתקנים האקוסטיים המרחפים, אפשרויות החדשנות הן אינסופיות. מפתחי תרופות יוכלו לשלוט בריכוזים, בגודל הטיפה, ובכמות של כל כימיקל ברפואה. התגליות של ארגון מיושמות באופן נרחב בקהילת הרפואה העולמית. הדבר נכון בייחוד היכן שמשאבים חדשים ומכונות משמעותם התקדמות גדולה בשינוי החיים של המטופלים.

הסיפור נלקח ממגזין 2014 ®COMSOL

יוצרים תובנות אודות חומרים פייזואלקטריים עבור זרימה אקוסטית בעזרת סימולציות נומריות ב- ®COMSOL Multiphysics

סימולציות נומריות מסייעות לחוקרים להבין את התגובות ההדדיות בין גלים אקוסטיים על פני השטח לבין זרימה מיקרופלואידית.

התקנים מיקרופלואידיים הינם מפתח ליישומים רבים כגון חיישני מעבדה-על-שבב לאבחונים רפואיים וחיישני זרימה בעלות נמוכה, אך גודלם הקטן הופך את הנושאים של שאיבה אפקטיבית וערבוב נוזלים לאתגרים. ההתנהגות המכאנית בגיאומטריות בגודל של כמה מאות מיקרונים בודדים ופחות מזה עשויה להשתנות משמעותית ביחס להתנהגות ברמת המאקרו. זאת כיוון שבקנה מידה נמוך היחס בין אזור פני השטח של הנוזל לנפח שלו הוא הרבה יותר גבוה, וגורמים כגון מתח פנים, מעבר חום וצמיגות משחקים תפקיד חשוב יותר.
חוקרים במכללת SUNY לננו-מדע והנדסה (CNSE) באולבני, ניו-יורק, חוקרים את השימוש בגלים אקוסטיים על פני השטח (SAWs – surface acoustic waves) בהכללת זרימת נוזל כאפשרות להנעת נוזל. כיוון שקול נע במהירויות שונות בסובסטרטים ובנוזלים, נוצר פיזור בגל המשוגר אל תוך הנוזל בזווית. היחלשות עוצמת הלחץ של הגל גורמת לזרימה אקוסטית. במטרה לעצב התקנים כאלה בצורה יעילה, הבנת המאפיינים האקוסטיים בחומר פייזואלקטרי שנעשה בו שימוש בייצור SAWs הינו שלב ראשון קריטי.

בהקשר הזה, סימולציה נומרית יכולה להיות כלי מאוד עוצמתי לטובת קביעה, לדוגמא, של השפעת מתכות אלקטרודות שונות וגיאומטריות על התפשטות גל אקוסטי. התובנות המושגות יכולות לסייע בעדכון החלטות תכנון.
גרהאם פוטר, חוקר בוגר ב- CNSE, לומד את השימוש במגוון חומרים פייזואלקטריים עבור יישומים המשתמשים בזרימה אקוסטית. CNSE היא חלק משותפות אוניברסיטאית-תעשייתית ייחודית עם SEMATECH, קונסורציום מחקר בינלאומי בתעשיית המוליכים למחצה, שמטרתה לתקוף את האתגרים הקריטיים הקיימים בייצור בטכנולוגיה מתקדמת.
צוותו של פוטר מתכנן התקנים שבנויים עם סובסטרטים פייזואלקטריים כגון ˚128Y-cut lithium niobate (LiNbO3) . “זווית החיתוך נקבעת עם התייחסות לציר הקריסטלוגרפי. כיוון ספציפי זה היה בשימוש מסורתית במסנני bandpass בשל ההימצאות של גל ריילי, סוג של SAW, עם צימוד אלקטרומכני חזק המתפזר בכיוון אחד לאורך פני השטח”, הוא מסביר.

“בשל סיבה זו, מחקרים רבים בנושא זרימה אקוסטית בהם נעשה שימוש בחומר זה, הוגבלו להתקנים ליניאריים בעלי כיוון אחד. אנחנו מעוניינים בבניית ארכיטקטורות התקן מחזוריות או מיקודיות. עקב סיבה זו, ובשל האנאיזוטרופיות של הגביש, נזקקנו להבנה טובה יותר של מאפייני ההתפשטות של הגלים על פני כל השטח”, פוטר המשיך.
במבנה שלו, מערכי אלקטרודות מוזהבות, הידועות כמתמרים משולבים (IDTs – interdigitated transducers), מורכבים על סובסטרט פייזואלקטרי. זרם חלופי מופעל באלקטרודות וגורם לפני השטח לרעוד בהרמוניות בשל האפקט הפייזואלקטרי הנגדי, ונוצרים SAW. “ע”י שינוי הכיוון של התקני ניסוי אלו על פני השטח, תדר התהודה ותגובת הזרם האקוסטי יכולים להיקבע כפונקציה של כיוון התפשטות”, פוטר מסביר.

תאימות גבוהה מאוד בין הסימולציה לניסוי
סימולציות התבצעו עבור נטיות חומר רבות בעזרת ®COMSOL Multiphysics, ונבדקו כנגד התקנים שנבנו ב- CNSE. “מצאנו הסכמה גבוהה בין הסימולציות שלנו והמדידות הניסוייות. הדבר עודד את השימוש הנרחב ב- ®COMSOL Multiphysics בתהליך התכנון שלנו וממש האיץ את ההבנה שלנו אודות הבעיה”, אומר פוטר.
“לדוגמא, רצינו לאשר שגלי שטח עם תזוזות אנכיות גדולות יותר יהיו בעלי מהירויות זרימה גבוהות יותר. בפועל, היה באפשרותנו להתאים את תוצאות הסימולציות למהירויות זרימה שנמדדו בניסויים. פיסות מידע כמו זו עוזרות לשפוך אור על היבטים של הבעיה ומובילות בסופו של דבר להחלטות תכנון מוחשיות”.

פוטר השתמש בממשק ההתקנים הפייזואלקטריים של ®COMSOL Multiphysics לאנליזה במרחב התדר עבור המחקר הספציפי הזה. מהסימולציות שלו הוא יכול היה לקבוע את תדר התהודה ומהירות הפאזה של ה- SAWs, התחשבויות תכנון חשובות באופטימיזציה של גיאומטריית ההתקן עבור זרימה אקוסטית. “הצוות שלנו מעוניין באופטימיזציה של אפקט הזרימה דרך אמצעים רבים, וכיוון שעבודה זו היא מולטידציפלינרית מטבעה, היכולות המולטיפיזיקליות של ®COMSOL שימושיות מאוד. אנו מתכננים להמשיך להשתמש ב- ®COMSOL במחקר שלנו כדי לחקור השפעות של מספר פרמטרים בו זמנית על ביצועי ההתקן שלנו, זאת במטרה לצמצם את הזמן שמתבזבז על יצירת אב-טיפוס”.

הסיפור נלקח ממגזין 2014 ®COMSOL

®COMSOL Multiphysics סייעה בפיתוח של שתל שבלולי אקוסטי מיוחד הפותר בעיות שמיעה

פתרון שמיעה חדש מבטיח לטפל בבעיית שמיעה שלה לא היה עד עתה פתרון טוב. חברת Cochler ltd השתמשה ב- ®COMSOL Multiphysics ממש מההתחלה, על מנת לפתח שתל שבלולי אקוסטי מיוחד.
בעיות שמיעה הן דבר נפוץ מאוד בקרב האוכלוסיה, כאשר כ- 17 אחוזים מהעם האמריקאי מדווח על רמה כזו או אחרת מהן סובל. מעבר לרמה מסוימת של אבדן שמיעה, עזר שמע סטנדרטי כבר הופך לא יעיל. חברת Cochlear ltd האוסטרלית נחשבת לאחת המובילות בעולם בתחום פיתוח וייצור עזרי שמיעה, שתלים שבלוליים ועוד. החברה עזרה כבר ליותר מרבע מיליון אנשים במעל מאה מדינות שונות, והיא מחפשת כל הזמן דרכים להעניק לאנשים עם בעיות שמיעה פתרונות טובים יותר.
בשנת 2011 החברה השקיעה 13% מרווחייה במחקר ופיתוח של שתל שבלולי אקוסטי ישיר בשם ™Codacs, תוך שימוש מלא של תהליך הפיתוח בתוכנת ®COMSOL Multiphysics. בתחילה החברה השתמשה ב- ®COMSOL בצורה נרחבת בכל שלב בתהליך תכנון המכשיר. המחשבה הראשונית הייתה לפתח אקטואטור המייצר ויברציות, אך לחברה לא היה מושג לגבי גדלי הרכיבים. על כן המודל הראשון שהיא בנתה בתוכנת ®COMSOL היה עבורה בבחינת מחקר חזותי ועזר לה להשוות קונספטים שונים.
בתהליך הפיתוח החברה נאלצה להתחשב במרכיבים רבים, גודלם, השפעתם בזמן פעולה ושינוייהם. אחד הדברים החשובים שהחברה הייתה חייבת לבדוק הוא עוביו של מרכיב הדיאפרגמה, על מנת לדעת מהי הקשיחות המכאנית המתאימה של האקטאטור. כדי להפחית את הקשיחות הצירית הכללית של האקטואטור, יש להעביר לערך הנכון את הקשיחות המגנטית של ההרכב האלקטרומגנטי. פרמטרים חשובים כאן הינם חוזק המגנט וגודל מרווח האוויר. על מנת לבצע אופטימיזציה של מערך המעגל המגנטי, החברה השתמשה במודול ה- DC/AC של תוכנת ®COMSOL Multiphysics, וחישבה את צפיפות הזרם המגנטי בין החלקים.

חבילת הכל כלול

הדבר שהכי הרשים את צוות המפתחים של החברה היה שתוכנת ®COMSOL איפשרה להם לבצע מספר מחקרים – מבני, אקוסטי, אלקטרומגנטי ופייזואלקטרי – בחבילה אחת מאוחדת. “ברגע שהיה לנו מודל אחד, לא הצטרכנו להתחיל מאפס כדי לבנות מודל אחר שמשתמש בפיזיקות שונות. פשוט הוספנו או הסרנו מרכיבים לפי הצורך, שינינו את הפיזיקות, ובכמה צעדים פשוטים, קיבלנו קייס סטאדי חדש”.

החוקר הראשי בחברת Cochlear ltd מסכם: “יש בידינו היכולת לזנוח את הגישה גוזלת הזמן והיקרה של ניסוי וטעייה שבאמצעותה נהיה חייבים לבנות אבי טיפוס רבים כדי לקבוע את מימדי החלק המתאימים. אפילו בעזרת ההערכות שנעשו במודל, היה ביכולתנו לכוונן את המכשיר בהצלחה בתוכנה. על מנת להשיג חלקים לאבי הטיפוס נאלצה החברה לחבור לספקים מומחים אשר זמן האספקה שלהם הינו מספר שבועות. ללא תוכנת ®COMSOL, היה לוקח לנו חצי שנה בשביל לייצר רק חמישה אבי טיפוס, הווה אומר האטה קיצונית של תהליך הפיתוח”.

הסיפור נלקח ממגזין 2012 ®COMSOL