مصفوفة عابرة لميمريستور سائلي من هيدروجيل محصور للحوسبة الشبيهة بالعصب

لماذا تهمّ رقاقة ناعمة ومائية

معظم أجهزة الحواسيب الحالية مبنية من سيليكون صلب وتعمل بتدفقات إلكترونات، وهو شيء مختلف كثيراً عن الشبكات الرطبة والناعمة في الدماغ البشري. تُظهر هذه الدراسة كيف أن رقاقة مصنوعة من جُلات وأيونات متدفقة يمكن أن تحاكي بعض قدرات الدماغ، مما يُلمّح إلى أجهزة مستقبلية أكثر كفاءة في الطاقة وقادرة على استشعار المواد الكيميائية في محيطها والاستجابة لها مباشرة.

تحويل الإلهام من الدماغ إلى جهاز ناعم

يعالج الدماغ المعلومات باستخدام ذرات مشحونة تتحرك عبر وصلات شبيهة بالهلام بين الخلايا العصبية. مستوحين ذلك، أنشأ الباحثون عنصرًا كهربائيًا صغيرًا يُسمى ميمريستور سائلي باستخدام هيدروجيلين ناعمين ملتحمين داخل مسام مجهرية في ورقة بلاستيكية. أحد الجلات يحمل شحنات موجبة ثابتة ويجذب الأيونات السالبة، بينما الآخر محايد ويحمل محلول ملحي مخفف. حيث يلتقي الجلان، يمكن للأيونات أن تتراكم أو تتبدد ببطء اعتمادًا على الجهد المطبق، مما يعطي الجهاز ذاكرة مدمجة للإشارات السابقة في شكل مقاومة كهربائية متغيرة.

كيف يتذكّر واجه الجل الإشارات

من خلال مسح الجهد عبر مسام فردية، لاحظ الفريق استجابة تيار مميزة على شكل حلقة تشير إلى سلوك ذاكرة حقيقي. أظهرت نماذج الحاسوب أن هذه الاستجابة تنشأ من تجمع الأيونات أو نقصها عند واجهة الجل الضيقة مع مرور الوقت. تحت اتجاه جهد واحد، تتدفق الأيونات السالبة نحو الواجهة ثم تنتقل إلى الجل المحايد، مما يسهل مسار التوصيل؛ وتحت الاتجاه المعاكس تُسحب بعيدًا، مما يصعّب التوصيل. وبما أن هذا الترتيب يحتاج وقتًا للاستقرار، فإن الجهاز "يتذكر" النبضات الأخيرة كتغير مؤقت في الموصلية، تمامًا كما تقوّي أو تضعف المشابك البيولوجية مؤقتًا بعد النشاط.

تقليد التعلم في الوصلات العصبية

بعد ذلك حفّز الباحثون الأجهزة بنبضات جهد قصيرة تمثل شُظايا أعصاب. تسببت أزواج من النبضات السالبة المتقاربة في تضخّم الاستجابة الثانية، وهو سلوك يُسمى التسهيل، بينما جعلت النبضات الموجبة الاستجابة الثانية تتقلص، مثل الاكتئاب في المشبك الحقيقي. أنتجت سلاسل النبضات ذات التردد والعدد والعرض المختلف تغيّرات متدرجة في الموصلية، مما يبيّن أن الجهاز قادر على ترشيح الإشارات زمنياً وتخزين مستويات وزن متعددة. يعمل عند جهود بمقياس الملي فولت وطاقة لكل نبضة بمقياس البيكوجول، أقل بكثير من الدوائر الصلبة النموذجية، ويمكن تبديله بشكل موثوق مرات عديدة، وهو أمر أساسي للمهام الحوسبية العملية.

من مسام مفردة إلى شبكة تفكر

وبما أن الهيدروجيلات سهلة الطباعة والتصلب في مكانها، بنى الفريق مصفوفات كاملة عابرة بحفر شبكات منتظمة من المسام المخروطية في بوليإيميد مرن وملأ كل منها بطبقة الجل المزدوجة. أظهرت مصفوفة صغيرة 3 × 3 سلوكًا متسقًا عبر المواقع، وبلغت مصفوفة أكبر 10 × 10 معدل نجاح تشغيلي 94 بالمئة، مما يشير إلى أن التصميم الناعم والمحصور قابل للتوسع جيدًا. كما يمكن للمصفوفة أن تستجيب مباشرة للمواد الكيميائية: تخترق جزيئات الوقود البيولوجية ATP الجل المشحون، وترتبط به وتقلل شحنته، ممّا يضعف التأثير الميمريستيفي ويسرّع فقدان الحالات المخزنة، أي أنها تستخدم الكيمياء لضبط السلوك الشبيه بالمشابك.

السماح للأجهزة اللينة بالتعرف على الأرقام

لاختبار معالجة المعلومات الحقيقية، استخدم المؤلفون المصفوفة كنواة ديناميكية لنمط من التعلم الآلي يُسمى حوسبة الخزان. تم تغذية أنماط نبضات الجهد التي تمثل صفوف صور الأرقام بالأبيض والأسود إلى مسامات مختارة، ثم قُرئت قيم الموصلية الناتجة إلى طبقة برمجية بسيطة قامت بالتصنيف النهائي. باستخدام هذا الإعداد، تعرف النظام بشكل صحيح على أنماط الأرقام المولدة حاسوبيًا وبلّغ دقة 89.5 بالمئة على الأرقام المكتوبة بخط اليد من قاعدة بيانات MNIST، وهو معيار شائع في الذكاء الاصطناعي، مما يبيّن أن مصفوفة بسيطة معتمدة على الأيونات قادرة على معالجة مهام تعرف غير تافهة.

ما يعنيه هذا لأجهزة الحوسبة اللينة المستقبلية

يثبت هذا العمل أنه يمكن بناء شبكة كبيرة ومنظمة من ميمريستورات سائلية ناعمة واستخدامها للحوسبة المستوحاة من الدماغ، مع إمكانية الاستجابة المباشرة للإشارات الكيميائية. وعلى الرغم من بقاء تحديات، مثل الاستقرار طويل الأمد وتحقيق أشكال ذاكرة أكثر ديمومة، فإن نهج الهيدروجيل المحصور يشير إلى رقائق مستقبلية تحسب بالأيونات بدل الإلكترونات وقد تدمج يومًا ما الاستشعار والكيمياء والاستخبارات منخفضة الطاقة في أجهزة مرنة تشبه الأنسجة.

الاستشهاد: Guo, G., Xiong, T., Xie, B. et al. Confined-hydrogel fluidic memristor crossbar array for neuromorphic computing. Nat Commun 17, 4275 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70728-1

الكلمات المفتاحية: ميمريستور سائلي, إلكترونيات الهيدروجيل, الحوسبة الشبيهة بالعصب, الحوسبة المعتمدة على الأيونات, حوسبة الخزان