הבינה המלאכותית
שתעצב את עיר העתיד

בשנים האחרונות הולך ומתפתח רעיון העיר החכמה: כלים טכנולוגיים שמאפשרים לעקוב אחרי המתרחש במנגנונים המוניציפליים ולהגיב להם במהירות וביעילות. אך כדי להשיג את המטרה הזאת צריך לגבור על הקושי לספק תקשורת אלחוטית רחבה, שמתאימה את עצמה בזמן אמת לסביבה המשתנה ולפעילות האנושית, למשל התנועה בכבישים. מחקר חדש שהתפרסם בכתב העת Science Advances מציג כעת טכנולוגיית אנטנות חדשנית, משולבת בבינה מלאכותית, שעשויה לשנות את המצב בניהול ערים חכמות. את המחקר הובילה קבוצת חוקרים מסין לצד חוקרים נוספים, ביניהם עדו קמינר מהטכניון.

האינטרנט של הדברים (Internet of Things) הוא חזון בתחומי התקשורת והנדסת מערכות התקשורת. המונח מתאר מצב שבו כל השירותים הממוחשבים, לרוב באזור גיאוגרפי מסוים, מתקשרים אלה עם אלה ללא צורך בהתערבות אנושית. כך אפשר להשיג מהירות תגובה מרבית ולהקצות משאבים מתוך ראייה כוללת של המצב בזמן אמת. דוגמה לתקשורת כזו היא רמזורים, מצלמות תנועה ומערכות תחבורה ציבורית שמשתפים מידע על מנת לשפר את זרימת התנועה בנתיבים. 

זו אחת הדוגמאות שיוצרות את מה שנקרא "ערים חכמות" – ערים שמתוכננות כך שפעילותן תתבסס על איסוף מידע בזמן אמת. יישום נוסף שצפוי להיכנס לשימוש בערים חכמות הוא אנטנות סלולריות שיתאימו את אופן השידור שלהן כדי לספק קליטה מיטבית לצרכנים הנמצאים במקומות שונים ונעים ממקום למקום.

תקשורת סלולרית דורשת קיום של ערוץ תקשורת אלחוטית באמצעות גלי מיקרוגל, שהם גלים אלקטרומגנטיים באורכי גל שבין מילימטר למטר. כאן התגלה קושי משמעותי, שכן שידור האותות דורש ייצור והתאמה של אנטנות, מגברים ועוד, ואלה יקרים יחסית, הן כלכלית והן מבחינת צריכת האנרגיה שלהם. בגרסאות המסורתיות שלהם, ההתנהגות שלהם קבועה למדי, ואפשר להתאימה לסביבה ולגופים בה באופן מוגבל בלבד אחרי ייצור הרכיבים.

פעילות העיר מבוססת על איסוף מידע בזמן אמת. הדמיה של עיר חכמה | Eduard Muzhevskyi, Science Photo Library

מטא-משטחים ועקומי קרינה

גישה חדשה לייצור אנטנות משתמשת בכלים שנקראים מטא-משטחים. אלו משטחים המורכבים במבנה מחזורי, ובנויים להגיב לקרינה אלקטרומגנטית בתחום תדרים מסוים, באופנים ייחודיים שאי אפשר לראות בחומרים המופיעים בטבע. דוגמה בולטת לכך היא מקדמי השבירה שלהם. מקדם שבירה של חומר הוא היחס בין מהירות האור בריק ובין מהירות האור בחומר הזה, והוא משפיע גם על המסלול של תנועת הקרינה בתוכו. בחומרים המצויים בטבע, הערך של מקדם השבירה תמיד גדול מ-1. לעומת זאת, במטא-משטחים ובמטא-חומרים – שהם מטא-משטחים עם מספר שכבות – מקדם השבירה יכול להיות קטן מ-1 או אף שלילי, וכך לגרום לאור להישבר בזוויות לא שגרתיות ואף לכיוון הפוך לעומת שבירה רגילה. הדבר יוצר דפוסי תנועה של הקרינה שלא נראים בחומרים רגילים, ומאפשר חופש פעולה גדול יותר עבור תכנון אנטנות.

מטא-משטחים מורכבים מאבני בניין קטנות הדומות זו לזו, שנקראות תאי יחידה ומסודרות זו לצד זו באופן מחזורי. הגודל של כל תא יחידה הוא עד אורך גל אחד של הקרינה, והתא מורכב משילוב של חומר מוליך וחומר מבודד, בדפוס גיאומטרי מסוים שנותן לו תכונות מתאימות בחשיפה לקרינה. הוא יכול לסנן תחום תדר מסוים, לכוון את הקרינה המשודרת ועוד.

לרוב תאי היחידה יש מבנה זהה, אך לעיתים הם שונים זה מזה בתכונות מעטות – למשל הכיוון שאליו הם פונים. אפשר לכוון את תאי היחידה זה ביחס לזה, כך שההשפעה ההדדית שלהם תגרום לתופעות הרצויות בקרינה המשודרת. התופעה המבוקשת בדרך כלל היא עיצוב של עוצמת הקרינה בכל כיוון לפי רצוננו. אם נשרטט תמונה של עוצמת הקרינה בכל זווית מסביב לאנטנה, נקבל תמונה תלת-ממדית שנקראת "עקום קרינה", שעל פיה אפשר לדעת למשל באיזה כיוון ביחס לאנטנה הקרינה חזקה יותר.

ברגע שידוע לנו המבנה של מטא-משטח, אפשר להלכה לחשב את עקום הקרינה שיהיה לו. אפשר גם לחשב בכיוון ההפוך ולמצוא את המבנה של מטא-משטח שייתן עקום קרינה מבוקש. אך אלה משימות מסובכות למדי שדורשות תהליכים ארוכים של חישובים והתאמות. קשה להתאים אותן למציאות משתנה או לייצור המוני.

מטא-משטחים ומטא-חומרים בנויים להגיב לקרינה אלקטרומגנטית בתחום תדרים מסוים, באופנים ייחודיים. מטא-חומר המיוצר במעבדה | Wladimir Bulgar, Science Photo Library

הפתרון: בינה מלאכותית

בשנים האחרונות ניסו לפתור את הבעיה באמצעות שימוש בבינה מלאכותית שתחשב את עקום הקרינה הצפוי ממבנה זה או אחר או את המבנה הדרוש כדי ליצור עקום קרינה רצוי. גם גישת הבינה המלאכותית נתקלה במכשול, שוב בגלל סיבוכיות הבעיה, ורוב המחקרים היו מוגבלים לקנה מידה קטן, עד כדי תא יחידה בודד, ולא הצליחו לתת למערכת גמישות גבוהה.

במחקר החדש מצאו החוקרים שיטה לזקק את המידע המשמש לאימון הבינה המלאכותית ולשים את הדגש על רכיבי המידע שמשפיעים יותר על קביעת עקום הקרינה. כך יכלו לאמן את הבינה המלאכותית בצורה ממוקדת ולהתמודד גם עם מבנים בקנה מידה גדול.

הם יישמו את תוצאי הבינה המלאכותית על מטא-משטח שבו תאי היחידה מתכווננים מכנית, כך שהם יכולים להשתנות בזמן אמת וליצור עקומי קרינה שונים המתאימים לדרישות. הדבר דומה לפעולתו של "מוח", או מרכז קבלת החלטות, המקבל מהגוף מידע על הסביבה ונותן לגוף הוראות פעולה בהתאם לכך. בהשראת הדמיון הזה קראו החוקרים לטכנולוגיה החדשה מטא-משטח עצבי. בנוסף, החוקרים מדווחים כי התכנון ואופן הבנייה של המטא-משטח זולים יותר וצורכים פחות אנרגיה מרכיבים קיימים שממלאים תפקיד דומה.

על מנת לבחון את הטכנולוגיה החדשה, הציבו החוקרים את המטא-משטח בתוך קניון, כשהוא מצויד במצלמה ובגלאי חכם. המתקן עקב אחרי הולכי רגל באמצעות הגלאי והמצלמה, והתאים את עקום הקרינה שלו בזמן אמת כך שיהיה מכוון אל כל אחד מהם. במאמר מוצגים עקומי קרינה המכוונים אל עד שלושה משתמשים בו-זמנית. בכך הדגימו החוקרים שמטא-משטח מסוגל לבצע תהליך של חישה-החלטה-ביצוע.

אמצעי הגילוי שהשתמשו בהם הם כלים קיימים, וכך גם הטכנולוגיה היסודית של מטא-משטחים; החידוש הוא ביכולת הבינה המלאכותית לבצע בזמן אמת את המשימה המורכבת של חישוב המבנה הנדרש של המטא-משטח לצורך עמידה בדרישות משתנות. במחקר לא נבדקה במלואה היכולת לתמוך במשתמשים מרובים בו-זמנית, והמערכת תידרש לעמוד בתרחישי אמת מגוונים רבים לפני שתוכל לספק את כל התמיכה המובטחת. 

לקראת האינטרנט של הדברים

הניסוי המחיש שבסביבה מציאותית אפשר להשתמש בקנה מידה גדול במטא-משטחים שאותם מכווננת ומנחה בינה מלאכותית, ושיגיבו בגמישות ובזמן אמת. הכישלון לעשות זאת עד כה, הקשה על יצירת ערים חכמות ומיזמים דומים.

בריאיון לאתר מכון דוידסון אמר קמינר, שהשתתף במחקר: "מלהיב שהתחום הוותיק של אלקטרומגנטיות קלאסית בתחום המיקרוגל עדיין יכול לספק כל כך הרבה חידושים מדעיים, על ידי שילוב רעיונות חדשים מתחום הבינה המלאכותית ושימוש בעיצוב מודרני של מטא-משטחים".