خلايا عصبية مرتجعة مبنية على ميمريستور بيروفسكايت مع قطب سالب من أكسيد الجرافين المختزل مهندس بذرة نيكل أحادية

شرائح مستوحاة من الدماغ لأجهزة أكثر ذكاءً

تُعد الحواسيب الحديثة سريعة لكنها أقل كفاءة بشكل لافت في مهام يستغرق الدماغ البشري إنجازها بسهولة، مثل التعرف على زهرة أو التخطيط لمسار فعّال عبر عدة مدن. تُبلغ هذه المقالة عن نوع جديد من المكوّنات الإلكترونية يتصرف بشكل أقرب إلى خلية عصبية حقيقية في الدماغ، ويتعامل مع إشارات "تشغيل" و"إيقاف" داخل جهاز صغير واحد. من خلال هندسة المواد على مستوى ذرات مفردة بعناية، تمكّن الباحثون من خلق خلايا عصبية صناعية يمكنها تعلم الأنماط وحل مسائل تحسين معقدة باستخدام عتاد أقل بكثير من المعالجات الحالية.

لماذا نحتاج أنواعًا جديدة من الخلايا العصبية في الأجهزة

تتعامل الخلايا العصبية البيولوجية باستمرار مع نوعين من الإشارات: إشارات تحفيزية تدفعها نحو الإطلاق، وإشارات كابحة تبطئها. التوازن بين هذين النوعين ضروري للتفكير المستقر والإدراك واتخاذ القرار. تصنف فئة خاصة تُسمى الخلايا العصبية المرتجعة (feedback neurons) بأنها تمزج بين الإشارات "التقدمية" الواردة و"الارتدادية" الكابحة، مما يمكّن سلوكيات مثل التنافس بين الخلايا وقرارات الفائز-يفوز، حيث تبقى الاستجابة الأقوى فقط. كان من الصعب إعادة إنتاج هذا السلوك المزدوج والمتوازن بدقة في الإلكترونيات. معظم أجهزة الميمريستور الحالية، التي تتذكر تاريخها الكهربائي، توصل التيار في اتجاه واحد أساسًا وتسترجع حالتها بسرعة كبيرة، ما يجعلها بدائل ضعيفة للخلايا العصبية التي يجب أن تدمج الإشارات خلال ميلي ثانية.

بناء جهاز إلكتروني أذكى

يتصدى الفريق لهذه القيود باستخدام ميمريستور قائم على البيروفسكايت — جهاز يمكن أن يتغير ناقليته تدريجيًا — مقترنًا بقطب سالب غير اعتيادي مصنوع من أكسيد الجرافين المختزل مزخرف بذرات نيكل مفردة معزولة. هذه الطبقة المكوَّنة من ذرات نيكل منفردة ليست مجرد موصل سلبي. أولًا، تضبط المشهد الطاقي عند الواجهة بحيث يمكن للإلكترونات أن تتدفق بشكل أكثر تماثلًا في كلا الاتجاهين، داعمة لسلوكيات تحفيزية وكابحة متوازنة. ثانيًا، ترفع حاجز الطاقة أمام أيونات اليوديد أثناء حركتها إلى القطب. عوضًا عن التحرك بحرية، تصبح الأيونات محتبسة جزئيًا وتنتقل ببطء وبشكل عكسي. هذا التحكّم في الحركة يطيل "ذاكرة" الجهاز للإشارات السابقة إلى نطاق ميلي ثانية ذي صلة بيولوجية دون الحاجة إلى مكثفات خارجية ضخمة.

كيف تشكّل التصميمات الذرية السلوك

باستخدام تقنيات مجهرية ومطيافية متقدمة، يؤكد الباحثون أن ذرات النيكل مثبتة منفردة إلى مواقع الأكسجين داخل طبقة الجرافين بدلاً من التكتل إلى جسيمات. تُظهر المحاكيات الحاسوبية أن هذا الترتيب الذري يزحزح مستويات الطاقة الإلكترونية لطبقة الكربون، مما يجعلها أكثر فلزانية ومتوافقة بشكل أفضل مع مواد البيروفسكايت الموجودة أدناه. وفي الوقت نفسه، تكشف الحسابات عن ارتفاع حاجز الانتشار لأيونات اليوديد عند وجود النيكل. تجريبيًا، تستطيع الأجهزة ذات القطب المصمم بهذا الشكل الانتقال تدريجيًا عبر نحو 1000 مستوى موصلية مميز وتُظهر استجابات شديدة التشابه للمرايا عند مسح الجهد الموجب والسالب. يتآكل تيارها خلال نحو 780 ميلي ثانية بعد التحفيز — زمن مقارب لزمن خلايا الأعصاب الحقيقية — ما يسمح للجهاز بمحاكاة ديناميكيات التكامل والتسريب والإطلاق (leaky integrate-and-fire) بدقة.

من جهاز واحد إلى شبكة متعلمة

عن طريق دفع هذه الميمريستورات بنبضات جهد مصممة، يوضح الفريق أن جهازًا واحدًا يمكن أن يعمل كخلية عصبية مرتجعة: يجمع النبضات الواردة، يطلق عندما يتجاوز التيار عتبةً، ثم يتسرب ببطء عائدًا إلى حالته الراحة. النبضات السالبة تخفض موصليته، مما يوفر شكلًا إلكترونيًا من الكبح. تُرتب شبكات من هذه الخلايا في مصفوفات متقاطعة ومتصلة بإلكترونيات تحكم بسيطة مبنية على مصفوفات بوابات قابلة للبرمجة ميدانيًا (FPGA). في أحد العروض، يؤدي النظام تعلّمًا تنافسيًا غير خاضع للمراقبة على بيانات الزهور، مجمعًا ثلاثة أنواع من الزهور بناءً على ميزاتها المقاسة، حيث يتخصص كل عصبون في نوع معين. في اختبار آخر، يستخدم مخطط تعلم تعاوني قائم على خريطة منظمة ذاتيًا نفس نوع الخلايا لحل مسألة البائع المتجول، وهي تحدّ تقليدي في اللوجستيات، متقاربًا نحو مسارات فعّالة أسرع بما يصل إلى ست مرات مقارنة بخوارزمية التلدين المحاكاة التقليدية.

ماذا يعني هذا للحوسبة المستقبلية

بعبارات بسيطة، يُظهر هذا العمل أننا نستطيع بشكل متزايد بناء مكونات إلكترونية تتصرف مثل خلايا دماغية صغيرة قابلة للضبط بدلًا من مفاتيح تشغيل/إيقاف بسيطة. من خلال وضع ذرات نيكل مفردة في المواضع الصحيحة داخل طبقة قائمة على الجرافين، يحصل المؤلفون على تحكم دقيق بكل من الإلكترونات والأيونات، مما يؤدي إلى جهاز يمكنه التحفيز والكبح والنسيان ببطء بطريقة شبيهة بالدماغ. يمكن تعبئة هذه الخلايا العصبية الصناعية بكثافة، وتحتاج إلى دائرة مساندة قليلة، وتتعامل بالفعل مع مهام تعلم ومسائل تحسين واقعية. ومع تحسن هذه الأجهزة، فقد تشكل أساسًا لعتاد مدمج وموفّر للطاقة يكمل أو حتى يحل محل أجزاء من المعالجات الرقمية الحالية المستهلكة للطاقة في تطبيقات تتراوح من تعرف الأنماط إلى التخطيط الذكي.

الاستشهاد: Li, QX., Li, HX., Sun, T. et al. Feedback neurons based on perovskite memristor with nickel single-atom engineered reduced graphene oxide cathode. Nat Commun 17, 3085 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69805-2

الكلمات المفتاحية: الحوسبة الشبيهة بالدماغ, الميمريستور, أجهزة البيروفسكايت, إلكترونيات الجرافين, التعلم في الأجهزة