الاستفادة من الهندسة الوراثية الصناعية لصنع إلكترونيات مستوحاة من الأحياء وموفرة للطاقة: تطبيقات لمحوِّلات البيانات اللوغاريتمية

لماذا يهم تقليص أجهزة الحاسوب إلى مقياس الخلايا

الأجهزة الحديثة — من الساعات الذكية إلى الغرسات الطبية — تبتلع بيانات وطاقة ضخمة. ومع ذلك تظهر الطبيعة أن الخلايا الحية قادرة على الاستشعار والحساب والتصرف باستخدام جزء ضئيل جداً من الطاقة التي يحتاجها أي رقاقة إلكترونية. يستكشف هذا البحث كيفية استيراد تلك الحيل من الأحياء لبناء أنواع جديدة من الإلكترونيات فائقة الكفاءة. يصمم المؤلفون دائرة إلكترونية صغيرة تحول الإشارات التناظرية إلى رقمية، مسترشدين بمبادئ مأخوذة من شبكات جينية داخل الخلايا. يمكن لجهازهم معالجة إشارات تمتد عبر نطاق واسع من الشدات مع استهلاك طاقة أقل من العديد من الساعات الرقمية، ما يجعله واعداً لتطبيقات مستقبلية قابلة للارتداء والغرس في تقنيات الصحة.

التعلم من الخلايا بدلاً من الاعتماد على الدماغ فقط

على مدى سنوات، قلد المهندسون الدماغ لبناء شرائح «نيورومورفي» تحاكي الخلايا العصبية والمشابك. لكن هذا العمل يتقدم خطوة أعمق، نحو الآلة الجزيئية داخل الخلايا الفردية. تستخدم الخلايا شبكات بيوكيميائية من جينات وبروتينات لاستشعار المواد الكيميائية، وقياس التغيرات، واتخاذ القرارات. تجمع هذه الشبكات طبيعياً بين استجابات ناعمة ومتدرجة ومفاتيح حادة شبيهة بالرقمية، وتفعل ذلك بقدر مذهل من اقتصاد الطاقة. أظهر عمل سابق حتى محولاً جينياً من تماثلي إلى رقمي داخل خلايا حية قام بترميز تراكيز كيميائية إلى «بتات» بروتينية عبر نطاق يصل إلى مئة مليار إلى واحد باستخدام أقل من بيتاوات واحد. اتبع ذلك التصميم البيولوجي مبدأً معروفاً باسم قانون ويبر: تستجيب الخلايا للتغيرات النسبية في الإشارة، لا لحجمها المطلق، أي أنها تعمل فعلياً على مقياس لوغاريتمي. يتساءل المؤلفون: هل يمكننا تحويل هذه الاستراتيجية الجينية إلى دائرة إلكترونية تحقق فوائد كفاءة مماثلة؟

تحويل دوائر الجينات إلى مخططات كهربائية

بنى الفريق أولاً جسراً بين علم الأحياء الجزيئي والإلكترونيات. في الخلايا، تحمل الإشارات جزيئات تربط وتفك الربط، فتشغل أو تطفئ الجينات. رياضياً، تبدو هذه العمليات غالباً كمنحنيات ناعمة ترتفع بقوة ثم تشبع — تماماً مثل سلوك الترانزستور عندما يرتفع جهده. ينشئ المؤلفون «نظائر» إلكترونية مفصلة للوحدات الجينية الأساسية: تفاعلات الربط، والمشغلات التي تتحكم في نشاط الجين، وحلقات التغذية الراجعة التي تشدّد القرارات. في هذا التطابق تقف Currents الكهربائية موضع التدفقات الجزيئية، وتقف الفولتية موضع التركيزات. ثم يجردون مُحوِّلاً جينياً ثنائي البت مُبنًى سابقاً إلى نموذج إلكتروني مدمج يشبه خلية عصبية اصطناعية بسيطة: تُغذى المدخلات الموزونة عبر دالة كبس/قرار. تتيح لهم هذه التجريد إعادة تصميم المفهوم في السيليكون مع الحفاظ على الفكرة البيولوجية الأساسية: ترميز شدة المدخل على مقياس لوغاريتمي، باستخدام سلوك مختلط تماثلي‑ورقمي وتغذية راجعة للحفاظ على استهلاك طاقة منخفض.

بناء محول بيانات لوغاريتمي صغير

باستخدام هذا المخطط المستوحى من الأحياء، صمم المؤلفون محولاً لوغاريتمياً ثلاثي البت في عملية CMOS قياسية بدقة 180 نانومتر. بدلاً من تشغيل الترانزستورات في وضع التيار العالي المعتاد، شغلوها في منطقة ما تحت العتبة (subthreshold)، حيث تكون التيارات صغيرة جداً وتتبّع قوانين أسية بطبيعتها — وهذا مثالي للمعالجة اللوغاريتمية. تعمل الدائرة في وضع التيار: يتم إدخال تيار يمكن أن يتغير عبر خمسة أوامر من العظمة إلى ثلاث مراحل مترابطة يقرّر كل منها بتّاً واحداً للمخرج. تحاكي الدوائر الداخلية الذكية استجابات بقوة‑قانونية وتشبّعات، بحيث تقارن كل مرحلة الإشارة الواردة بعتبة مختلفة على مقياس لوغاريتمي. يقوم الكود الثلاثي الناتج بضغط مدى ديناميكي بقيمة 80 ديسيبل إلى ثمانية مستويات رقمية فقط. تُظهر المحاكاة أن الشريحة تستهلك أقل من ميكرووات واحد عند معدل عينة مناسب للإشارات الطبية الحيوية وتحتل مساحة تقارب 0.02 مليمتر مربع من السيليكون، كل ذلك مع الحفاظ على خطية جيدة للأكواد في المجال اللوغاريتمي ومتانة تجاه التغيرات في الحرارة والإمداد وتصنيع الدوائر.

لماذا يفيد التفكير اللوغاريتمي في توفير الطاقة والمساحة

عادةً تقسم محولات ADC التقليدية نطاق مدخلها إلى خطوات متساوية وتقارن الإشارة بعدة مستويات مرجعية. مع سعي المصممين لزيادة الدقة، يزداد عدد المقارنات المطلوبة — وبالتالي الطاقة والمساحة — غالباً بشكل أُسّي مع عدد البتات. بالمقابل، ينشر التصميم المستوحى من الأحياء عتبات قراره على مقياس لوغاريتمي. هذا يعني خطوات أدق كثيراً للإشارات الضعيفة، وخطوات أكثر خشونة للإشارات القوية حيث لا تهم الفروق الصغيرة. يظهر المؤلفون رياضياً أن في معماريتهم تكلفة الطاقة المسيطرة تنمو خطياً فقط مع عدد البتات، بينما يمكن أن ينمو النطاق الديناميكي أُسّياً. كما يحللون الضوضاء ويجدون أن التكميم — أي التقريب الحتمي للقيم التماثلية إلى خطوات رقمية — يطغى على الضوضاء الحرارية، لذا فلا تؤثر التقلبات الحرارية تأثيراً كبيراً على الأداء. يعكس هذا سلوك الأحياء، حيث تتحمل الأنظمة جزيئات صاخبة ومع ذلك تتخذ قرارات موثوقة بالعمل في المجال اللوغاريتمي.

ما قد يعنيه هذا للأجهزة المستقبلية

من خلال تأسيس تصميمهم على كيفية حساب دوائر الجينات، يبرهن المؤلفون على محول عملي جاهز للإخراج الصناعي يضغط الإشارات واسعة النطاق إلى بضعة بتات موفرة للطاقة. مثل هذا المحول اللوغاريتمي ملائم بشكل خاص لمهام عرض نطاق ترددي منخفض ومجال ديناميكي عالٍ: استشعار إشارات بيوكيميائية ضعيفة، التقاط الصوت لغرسات القوقعة أو مساعدات السمع، أو قراءة مستشعرات بصرية وكهروكيميائية في أجهزة مراقبة صحية قابلة للارتداء أو قابلة للابتلاع. الرسالة الأوسع هي أن الهندسة الوراثية الصناعية يمكن أن تكون أكثر من مجرد مصدر استعارات — يمكن أن تكون نموذجاً لهندسات إلكترونية جديدة حيث يتم مقايضة الطاقة والدقة ومساحة الشريحة بطرق أقرب إلى أنظمة حية مقارنةً بالتصميم الرقمي التقليدي.

الاستشهاد: Oren, I., Gupta, V., Habib, M. et al. Harnessing synthetic biology for energy-efficient bioinspired electronics: applications for logarithmic data converters. Commun Eng 5, 44 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00589-5

الكلمات المفتاحية: محول تماثلي إلى رقمي لوغاريتمي, إلكترونيات مستوحاة من الأحياء, الهندسة الوراثية الصناعية, مستشعرات منخفضة الطاقة, تصميم نيورومورفي