جعل رقائق الكمبيوتر تعمل مثل خلايا الدماغ

جعل رقائق الكمبيوتر تعمل مثل خلايا الدماغ

الدماغ البشري آلة حوسبة مذهلة. يزن ثلاثة أرطال فقط أو نحو ذلك ، ويمكنه معالجة المعلومات أسرع ألف مرة من أسرع كمبيوتر فائق ، وتخزين معلومات أكثر ألف مرة من كمبيوتر محمول قوي ، والقيام بكل ذلك باستخدام طاقة لا تزيد عن 20 واط مصباح.

يحاول الباحثون تكرار هذا النجاح باستخدام مواد عضوية ناعمة ومرنة يمكن أن تعمل مثل الخلايا العصبية البيولوجية وقد تتمكن يومًا ما من التواصل معها. في نهاية المطاف ، يمكن زرع رقائق الكمبيوتر “العصبية” اللينة مباشرة في الدماغ ، مما يسمح للناس بالتحكم في ذراع اصطناعية أو شاشة كمبيوتر بمجرد التفكير في الأمر.

مثل الخلايا العصبية الحقيقية – ولكن على عكس رقائق الكمبيوتر التقليدية – يمكن لهذه الأجهزة الجديدة إرسال واستقبال إشارات كيميائية وكهربائية. “يعمل دماغك مع المواد الكيميائية ، مع النواقل العصبية مثل الدوبامين والسيروتونين. يقول ألبرتو سالو ، عالم المواد في جامعة ستانفورد الذي كتب عن إمكانات الأجهزة العصبية العضوية  في  المراجعة السنوية لأبحاث المواد لعام 2021 ، إن موادنا قادرة على التفاعل معها كهربيًا كيميائيًا  .

ابتكر Salleo وغيره من الباحثين أجهزة إلكترونية باستخدام هذه المواد العضوية اللينة التي يمكن أن تعمل مثل الترانزستورات (التي تضخم وتبديل الإشارات الكهربائية) وخلايا الذاكرة (التي تخزن المعلومات) والمكونات الإلكترونية الأساسية الأخرى. 

ينشأ العمل من الاهتمام المتزايد بدارات الكمبيوتر العصبية التي تحاكي كيفية عمل الوصلات العصبية أو المشابك البشرية. هذه الدوائر ، سواء كانت مصنوعة من السيليكون أو المعدن أو المواد العضوية ، تعمل بشكل أقل مثل تلك الموجودة في أجهزة الكمبيوتر الرقمية وأكثر تشابهًا مع شبكات الخلايا العصبية في الدماغ البشري.

تعمل أجهزة الكمبيوتر الرقمية التقليدية خطوة واحدة في كل مرة ، وتخلق هندستها المعمارية انقسامًا أساسيًا بين الحساب والذاكرة. يعني هذا التقسيم أنه يجب نقل الآحاد والأصفار ذهابًا وإيابًا بين المواقع على معالج الكمبيوتر ، مما يؤدي إلى  اختناق  السرعة واستخدام الطاقة.

يقوم الدماغ بالأشياء بشكل مختلف. تستقبل الخلايا العصبية الفردية إشارات من العديد من الخلايا العصبية الأخرى ، وتتراكم كل هذه الإشارات معًا لتؤثر على الحالة الكهربائية للخلايا العصبية المستقبلة. في الواقع ، تعمل كل خلية عصبية كجهاز حساب – دمج قيمة جميع الإشارات التي تلقتها – وجهاز ذاكرة: تخزين قيمة كل تلك الإشارات المجمعة كقيمة تناظرية متغيرة بلا حدود ، بدلاً من الصفر أو – أحد أجهزة الكمبيوتر الرقمية.

طور الباحثون عددًا من أجهزة “memristive” المختلفة التي تحاكي هذه القدرة. عندما تقوم بتشغيل التيارات الكهربائية من خلالها ، فإنك تغير المقاومة الكهربائية. مثل الخلايا العصبية البيولوجية ، تحسب هذه الأجهزة عن طريق جمع قيم جميع التيارات التي تعرضت لها. ويتذكرون من خلال القيمة الناتجة التي تأخذها مقاومتهم. 

قد يحتوي الميمريستور العضوي البسيط ، على سبيل المثال ، على طبقتين من المواد الموصلة كهربائيًا. عند تطبيق جهد ما ، يدفع التيار الكهربائي الأيونات الموجبة الشحنة من طبقة إلى أخرى ، ويغير مدى سهولة توصيل الطبقة الثانية للكهرباء في المرة التالية التي تتعرض فيها لتيار كهربائي. (انظر الرسم البياني). “إنها طريقة للسماح للفيزياء بالقيام بالحوسبة” ، كما يقول  ماثيو مارينيلا ، مهندس الكمبيوتر في جامعة ولاية أريزونا في تيمبي الذي يبحث في الحوسبة العصبية.

تعمل هذه التقنية أيضًا على تحرير الكمبيوتر من القيم الثنائية تمامًا. “عندما يكون لديك ذاكرة كمبيوتر كلاسيكية ، فهي إما صفر أو واحد. نصنع ذاكرة يمكن أن تكون أي قيمة بين صفر وواحد. لذا يمكنك ضبطه بطريقة تمثيلية “، كما يقول ساليو.

في الوقت الحالي ، لا تعتمد معظم أجهزة memristors والأجهزة ذات الصلة على المواد العضوية ولكنها تستخدم تقنية شرائح السيليكون القياسية. حتى أن بعضها يستخدم تجاريًا كوسيلة لتسريع برامج الذكاء الاصطناعي. يقول ساليو إن المكونات العضوية لديها القدرة على القيام بالمهمة بشكل أسرع مع استخدام طاقة أقل. والأفضل من ذلك ، أنه يمكن تصميمها لتتكامل مع عقلك. المواد ناعمة ومرنة ، ولها أيضًا خصائص كهروكيميائية تسمح لها بالتفاعل مع الخلايا العصبية البيولوجية. 

على سبيل المثال ، تعمل فرانشيسكا سانتورو ، مهندسة كهربائية في جامعة RWTH Aachen في ألمانيا ، على تطوير جهاز  بوليمر يأخذ المدخلات من الخلايا الحقيقية  و “يتعلم” منها. في جهازها ، يتم فصل الخلايا عن الخلايا العصبية الاصطناعية بمساحة صغيرة ، على غرار المشابك العصبية التي تفصل الخلايا العصبية الحقيقية عن بعضها البعض. نظرًا لأن الخلايا تنتج الدوبامين ، وهي مادة كيميائية تشير إلى الأعصاب ، فإن الدوبامين يغير الحالة الكهربائية للنصف الاصطناعي للجهاز. كلما زادت إنتاج الخلايا من الدوبامين ، كلما تغيرت الحالة الكهربائية للخلايا العصبية الاصطناعية ، تمامًا كما قد ترى مع اثنين من الخلايا العصبية البيولوجية. (انظر الرسم البياني). “هدفنا النهائي هو حقًا تصميم إلكترونيات تشبه الخلايا العصبية وتتصرف مثل الخلايا العصبية” ، كما يقول سانتورو. 

يمكن أن يوفر هذا النهج طريقة أفضل لاستخدام نشاط الدماغ لتشغيل  الأطراف الاصطناعية  أو  شاشات الكمبيوتر.  تستخدم أنظمة اليوم الإلكترونيات القياسية ، بما في ذلك الأقطاب الكهربائية التي يمكنها التقاط أنماط عريضة فقط من النشاط الكهربائي. والمعدات ضخمة وتتطلب أجهزة كمبيوتر خارجية للعمل.

يمكن للدوائر المرنة ذات الشكل العصبي تحسين ذلك بطريقتين على الأقل. سيكونون قادرين على ترجمة الإشارات العصبية بطريقة أكثر دقة ، والاستجابة للإشارات من الخلايا العصبية الفردية. ويقول ساليو إن الأجهزة قد تكون قادرة أيضًا على التعامل مع بعض الحسابات الضرورية بنفسها ، والتي يمكن أن توفر الطاقة وتعزز سرعة المعالجة.

يقول ساليو وسانتورو إن الأنظمة اللامركزية منخفضة المستوى من هذا النوع – مع أجهزة كمبيوتر صغيرة ذات شكل عصبي تعالج المعلومات كما تتلقاها أجهزة الاستشعار المحلية – هي وسيلة واعدة للحوسبة العصبية. يقول سانتورو: “إن حقيقة أنها تشبه بشكل جيد العملية الكهربائية للخلايا العصبية تجعلها مثالية للاقتران الفيزيائي والكهربائي مع الأنسجة العصبية ، وفي النهاية الدماغ.”