دانشمندان در حال ساخت الکترونیک‌هایی هستند که مانند پوست انسان کش می‌آیند و مانند مغز یاد می‌گیرند

به گزارش آذرنگارنده:

پژوهشگران در حال توسعه نسل تازه‌ای از تجهیزات الکترونیکی هستند که می‌توانند مانند پوست انسان کش بیایند و مانند مغز اطلاعات را پردازش و یاد بگیرند. این فناوری که به آن الکترونیک نورومورفیکِ کشسان گفته می‌شود، می‌تواند راه را برای کاربردهایی مانند پوست‌های الکترونیکی، پوشیدنی‌های هوشمند مبتنی بر هوش مصنوعی و منسوجات هوشمند هموار کند.

امروزه سامانه‌های هوش مصنوعی در بسیاری از حوزه‌ها—از تشخیص تصویر تا تحلیل داده‌های پزشکی—حتی عملکردی فراتر از انسان دارند. با این حال، یک محیط وجود دارد که سخت‌افزارهای فعلی هنوز در آن با مشکل مواجه‌اند: بدن انسان.

دلیل این مسئله ساده است. بافت‌های بدن انسان نرم، انعطاف‌پذیر و دائماً در حال حرکت‌اند، در حالی که بیشتر تجهیزات الکترونیکی متداول بر پایه سیلیکون‌های سخت و غیرقابل انعطاف ساخته شده‌اند. حتی پیشرفته‌ترین تراشه‌ها نیز ساختاری سفت دارند و به همین دلیل اتصال طولانی‌مدت آن‌ها به اندام‌هایی مانند قلب، ریه یا مفاصل دشوار است. این دستگاه‌ها ممکن است به مرور باعث تحریک بافت، از دست رفتن تماس با پوست یا حتی از کار افتادن شوند.

اکنون پژوهشگران رویکردی متفاوت را دنبال می‌کنند:

به جای آنکه بدن انسان را با الکترونیک‌های سخت سازگار کنند، در حال طراحی الکترونیک‌هایی هستند که رفتاری شبیه بدن داشته باشند.

بر اساس مروری که در نشریه International Journal of Extreme Manufacturing منتشر شده، نسل جدیدی از دستگاه‌ها با عنوان الکترونیک نورومورفیک نرم در حال ظهور است. این سامانه‌ها حسگر، حافظه و توان پردازشی را در موادی ترکیب می‌کنند که می‌توانند خم شوند، کش بیایند و با بافت زنده سازگار شوند.

الهام از مغز انسان

برخلاف مدارهای الکترونیکی سنتی که تنها بر حرکت الکترون‌ها در مسیرهای فلزی تکیه دارند، این فناوری از مواد نرم مانند پلیمرهای انعطاف‌پذیر و ژل‌های یونی استفاده می‌کند که قادرند هم الکترون و هم یون را منتقل کنند.

این فرایند که «رسانش آلیِ ترکیبی یونی–الکترونی» نام دارد، شباهت زیادی به سیگنال‌های الکتروشیمیایی سیستم عصبی دارد. مواد فعال در این سامانه‌ها می‌توانند یون‌ها را از محیط جذب یا آزاد کنند و در نتیجه وضعیت الکتریکی داخلی خود را دائماً تغییر دهند.

به همین دلیل، یک ترانزیستور نرم می‌تواند رفتاری مشابه پلاستیسیته سیناپسی داشته باشد؛ فرایندی زیستی که در آن ارتباط میان سلول‌های مغزی با گذر زمان تقویت یا تضعیف می‌شود. در واقع، سخت‌افزار این سیستم‌ها می‌تواند ویژگی‌هایی شبیه یادگیری مغز از خود نشان دهد.

کشسان، کم‌مصرف و سازگار با بدن

پیشرفت‌های اخیر در علم مواد باعث شده این دستگاه‌ها به میزان قابل توجهی انعطاف‌پذیر شوند. برخی از این اجزا می‌توانند تا ۱۴۰ درصد طول اولیه خود کش بیایند؛ میزانی که حتی از کشسانی طبیعی پوست انسان نیز بیشتر است. همین ویژگی امکان استفاده از آن‌ها در بخش‌هایی از بدن با حرکت زیاد را فراهم می‌کند.

این فناوری همچنین مصرف انرژی بسیار کمی دارد. دستگاه‌ها با تکیه بر فرایندهای الکتروشیمیایی کارآمد، می‌توانند وظایف پیچیده‌ای مانند تشخیص ریتم قلب را با ولتاژی کمتر از ۰٫۵ ولت انجام دهند.

چنین ولتاژ پایینی باعث کاهش تولید گرما و فشار الکتریکی می‌شود؛ دو عامل بسیار مهم برای تجهیزاتی که قرار است مدت طولانی با بافت زنده در تماس باشند.

آینده‌ای برای پوست الکترونیکی و اندام‌های هوشمند

این فناوری می‌تواند نحوه تولید دستگاه‌های پوشیدنی را نیز متحول کند. به جای نصب حسگرهای سخت روی مواد انعطاف‌پذیر، مهندسان می‌توانند شبکه‌های محاسباتی نرم را مستقیماً روی مواد کشسان چاپ کنند؛ موادی که هم‌زمان حسگری، حافظه و پردازش را در خود دارند.

چنین رویکردی می‌تواند به توسعه پوست‌های الکترونیکی و اندام‌های رباتیک نرم منجر شود که قادرند لمس و حرکت را به‌صورت محلی تفسیر کنند، بدون آنکه دائماً داده‌ها را به یک رایانه خارجی ارسال کنند.

چالش‌های باقی‌مانده

با وجود پیشرفت‌ها، هنوز موانع فنی مهمی پیش روی این فناوری قرار دارد. یکی از چالش‌های اصلی حفظ اطلاعات در حافظه است. بسیاری از حافظه‌های نرم فعلی پس از پایان سیگنال، داده‌ها را به‌سرعت از دست می‌دهند.

برای حل این مشکل، پژوهشگران در حال بررسی ساختارهایی موسوم به معماری «جزیره–پل» هستند. در این طراحی، اجزای حافظه دائمی روی جزیره‌های کوچک و سخت قرار می‌گیرند که از تنش مکانیکی محافظت می‌شوند و با اتصال‌های کشسان به یکدیگر متصل می‌شوند.

دانشمندان معتقدند ترکیب این معماری با مواد شیمیایی پایدار و غیرسمی می‌تواند راه را برای دستگاه‌های نورومورفیک بادوامی باز کند که در آینده به‌طور بلندمدت با بدن انسان ادغام شوند.