مِمريستور أنبوبي من EGaIn يوفر تبديلًا موثوقًا على مقياس زمني بيولوجي

دوائر سائلة تفكر مثل أدمغتنا

الحواسيب والأدمغة تتحدث لغات كهربائية مختلفة تمامًا. الشرائح السليكونية سريعة لكنها جامدة، بينما تعتمد الخلايا العصبية في أجسامنا على كيمياء بطيئة وسائلة. يقدم هذا البحث عنصرًا إلكترونيًا جديدًا—مصنوعًا من معدن سائل داخل أنبوب صغير—يتصرف أقرب إلى المشبك البيولوجي منه إلى الترانزستور التقليدي، حيث يتبدل تشغيله وإيقافه ضمن نافذة زمنية مناسبة للتواصل المباشر مع الأنسجة الحية أو لدعم الحوسبة المستوحاة من الدماغ.

لماذا نحتاج إلى نوع جديد من مفاتيح الذاكرة

طوال الوقت يسعى المهندسون إلى «المِمريستور»؛ مكوّنات إلكترونية تقيس المقاومة وتعكس تاريخ الإشارات السابقة، لبناء حواسيب سريعة ومنخفضة الطاقة تتعلم من البيانات. أغلب النماذج الحالية صلبة وتعتمد على تشكيل وحل خيوط معدنية نانوية داخل مادة صلبة. وبما أن هذه الخيوط عرضها بضعة ذرات وتنمو عشوائيًا، فغالبًا ما تظهر الأجهزة سلوكًا غير متسق من مرة لأخرى ومن شريحة لأخرى، ما يحد من موثوقيتها للتطبيقات واسعة النطاق.

قطرة معدن داخل أنبوب

للهروب من عشوائية الخيوط الصلبة، اتجه الباحثون إلى نظام سائل قائم على خلطة غاليوم–إنديوم المنصهرة عند درجة حرارة الغرفة (EGaIn) ومحلول هيدروكسيد الصوديوم (NaOH). وضعوا منطقتين صغيرتين من EGaIn داخل أنبوب بلاستيكي بمقياس مليمتر وفصلوهما بالإلكتروليت السائل. تتصل أقطاب من النحاس أو المطلية بالذهب بكل منطقة معدن من الخارج. عند تطبيق جهد متواضع (أقل بكثير من فولت واحد) على طول الأنبوب، يمكن أن تقفز المقاومة بين الأقطاب بين حالة منخفضة وحالة عالية بطريقة قابلة للتكرار بدرجة كبيرة، ما يمنح الجهاز الخاصية الأساسية للمِمريستور. ونظرًا لأن المنطقة النشطة عبارة عن واجهة سائلة ناعمة بدلًا من خيط هش، فعدد كبير من الذرات يعمل معًا، ما يخفت التقلبات العشوائية ويُنتج سلوكًا مستقرًا عبر آلاف دورات التبديل.

كيف يتحكّم غشاء نامي في التيار

ينشأ التبديل من «غشاء» قابل للانعكاس يتكوّن على سطح المعدن السائل. في محلول قاعدي، يمكن لأذرع الغاليوم على سطح EGaIn أن تتأكسد لتكوّن أكاسيد ومركبات ذات صلة تعمل كطبقة عازلة رقيقة. من خلال دراسة دقيقة لواجهة معدن–إلكتروليت مفردة، يُظهر الفريق أن زيادة الجهد تسرّع أولًا التأكسد، ثم تصل إلى نقطة حيث يعيق الغشاء النامي التفاعل الإضافي ويرفع المقاومة فجأة. عند خفض الجهد أو عكسه، يذوب الغشاء ويعود سطح المعدن إلى حالة أكثر ناقلية. في جهاز الأنبوب الكامل هناك واجهتان من هذا النوع على التوالي؛ مع تذبذب الجهد إلى الموجب أو السالب، يتأكسد جانب بينما يختزل الجانب الآخر، مما يؤدي إلى منحنى تيار–جهد متماثل وذو تباطؤ (هيرزيزيس) مع حدود واضحة لـ "الإيقاف" و"التشغيل".

التبديل بسرعة تشبه البيولوجيا

بعيدًا عن السلوك الأساسي تشغيل/إيقاف، يستقصي المؤلفون سرعة استجابة هذه المفاتيح السائلة. باستخدام نبضات جهد قصيرة وقياسات دائرية، يجدون أن الجهاز يمكن أن ينطفئ في نحو 20–25 مللي ثانية ويعود للتشغيل في حوالي 150 مللي ثانية—مقارنة بتوقيت العديد من العمليات العصبية والحسية في الأنظمة الحية. تكشف مطيافية الممانعة أنه بالإضافة إلى تغيير المقاومة، يظهر الجهاز أيضًا سلوكًا سعويًا ذا ذاكرة، مما يوحي بديناميكيات أغنى شبيهة بتلك المرصودة في أغشية الخلايا البيولوجية. والأهم أن الأجهزة تعمل بموثوقية لعدة أيام مع انحراف طفيف فقط في جهود التبديل.

المنطق داخل الذاكرة نفسها

لإظهار قابلية التطبيق العملي، قام الباحثون بتوصيل اثنين من هذه الأجهزة الأنبوبية معًا وأظهروا أنهما قادران على تنفيذ عمليات منطقية أساسية مع تخزين النتيجة في الوقت نفسه. باعتبار الحالة ذات المقاومة المنخفضة "1" منطقية والحالة ذات المقاومة العالية "0"، وبواسطة تطبيق نبضات جهد محسوبة بعناية، بنوا بوابات AND و OR بسيطة. في هذه الدوائر، تُشفّر الحالة النهائية لأحد المِمريستورات مباشرة نتيجة العملية المنطقية، وهو مثال على "الحوسبة داخل الذاكرة" حيث تُعالج البيانات وتُخزن في نفس العنصر المادي بدلًا من نقلها ذهابًا وإيابًا بين وحدات منفصلة للمنطق والذاكرة.

ماذا قد يعني هذا للأجهزة المستقبلية

تُظهر الدراسة أن أنبوبًا بسيطًا مملوءًا بالمعدن السائل والإلكتروليت يمكن أن يعمل كمِمريستور منخفض الجهد وذو موثوقية عالية، وسرعة تبديله مضبوطة طبيعيًا على المقاييس الزمنية البيولوجية. وبما أن المنطقة النشطة سائلة وناعمة، تتجنب الأجهزة العديد من مشكلات العشوائية التي تزعج التصاميم الصلبة، مع استمرارها في العمل عند جهود قابلة للمقارنة مع تقنيات الذاكرة الحالية. مع مزيد من التصغير وتحسين المواد، يمكن أن تقلل هذه المِمريستورات السائلة من استهلاك الطاقة وتُدمج في إلكترونيات طرية ومرنة. وتشير أوجه الشبه مع توقيت وفيزياء نسيج الأعصاب إلى أدوار محتملة في الأطراف العصبية الاصطناعية، واجهات الدماغ–الكمبيوتر، وأجهزة معالجة الإشارة التكيفية التي يمكنها التعلم والاستجابة في الزمن الحقيقي.

الاستشهاد: Pershin, Y.V., Patel, L., Bera, B. et al. EGaIn tube memristors offering reliable switching on a biological time scale. Commun Mater 7, 104 (2026). https://doi.org/10.1038/s43246-026-01113-0

الكلمات المفتاحية: مِمريستور معدن سائل, حوسبة عصبية الشكل, منطق داخل الذاكرة, واجهة دماغ-حاسوب, تبديل قائم على الأكاسيد