أجهزة ميكروية متعددة الوظائف للحوسبة النورومورفية والعرض وتوفير الطاقة

لماذا الشاشات الأذكى مهمة

حياتنا مليئة بالشاشات المضيئة، من الهواتف إلى اللوحات الإعلانية. ومع ذلك فإن معظم الشاشات تكتفي بعرض الصور؛ فهي لا تستشعر المحيط، ولا تتكيف مع تغير الإضاءة، ولا تساعد في معالجة الصور التي تعرضها. تفيد هذه الورقة بجهاز ضئيل ينبعث منه الضوء يمكنه أن يفعل الثلاثة معًا: يستشعر الضوء، ويتذكّر الإشارات كخلية عصبية، ويعرض الصور مع توفير الطاقة. مثل هذه «البكسلات المفكرة» قد تقود مستقبلًا إلى شاشات ذكية فائقة الكفاءة للهواتف، والأجهزة القابلة للارتداء، والواقع المعزّز.

بكسل صغير يمكنه الرؤية والتذكّر

جوهر العمل هو صمام ثنائي ضوئي مجهري، أو ميكرو‑LED، بُني بعناية من طبقات رقيقة جدًا من مواد شبه موصلة. صُمِّمَت البنية بحيث يمكن أن يصدر الجهاز نفسه ضوءًا أزرق ويعمل أيضًا كمستشعر للضوء. حتى عند جهد مسلط يساوي صفرًا، يولّد تيارًا قابلًا للقياس عند تسليطه بالضوء، ما يعني أنه يمكنه الكشف عن الضوء بوضعية ذاتية التشغيل. يستجيب الميكرو‑LED أكثر للضوء القريب من الأشعة فوق البنفسجية والأزرق، ويفعل ذلك بسرعة، فيحترق ويخفت في غضون أجزاء من الألف من الثانية—سريعة بما يكفي لتصوير واستشعار في الوقت الحقيقي.

التعلّم من العين والدماغ البشريين

تعتمد الفكرة على الطريقة التي يعمل بها عيننا ودماغنا معًا. في الأحيا، يحول الشبكية الضوء إلى إشارات كهربائية، والتي تُعالَج لاحقًا في القشرة البصرية بينما نواصل رؤية الصورة. يعكس الباحثون هذه الفكرة في الأجهزة: فالميكرو‑LED لديهم يحول الضوء إلى إشارات كهربائية وينتج ضوءًا مرئيًا للعرض. في ظل جهد منخفض أو صفري، يتصرف كمكتشف، مفرّقًا الشحنات الناتجة عن الضوء داخل بنيته الطبقية. تحت جهد أمامي، تتحد تلك الشحنات لتصدر ضوءًا أزرق. بدمج الاستشعار، وتحويل الإشارة، وانبعاث الضوء في بكسل واحد، يتجنّب الجهاز التنقّل المكلف بين رقائق منفصلة الذي يبدد الطاقة في شاشات اليوم.

بكسل بذاكرة قصيرة الأمد

عندما يمرّر الفريق سلسلة من نبضات جهد قصيرة إلى الميكرو‑LED، لا تتكرر استجابته الكهربائية ببساطة—بل تتزايد. تترك كل نبضة بعض الشحنات المحبوسة في عيوب صغيرة داخل المادة. عند وصول النبضة التالية، تُفرَج هذه الشحنات المخزنة وتُضاف إلى الإشارة الجديدة، تمامًا مثل تشابك بيولوجي يقوى مؤقتًا بعد النشاط. هذه «التقوية قصيرة الأمد» هي شكل أساسي من الذاكرة. وبما أن الجهاز يتذكر النبضات الأخيرة، يمكن للنبضات اللاحقة أن تحقق نفس السطوع باستخدام طاقة كهربائية أقل. في ظل ظروف مُحسّنة، كانت اثنتا عشرة نبضة كافية لخفض الاستهلاك الفعلي للطاقة بحوالي 4.5 بالمئة مقارنة ببكسل تقليدي يعمل باستمرار.

من بكسلات ذكية إلى رؤية ذكية

ثم تسأل الدراسة ماذا يمكن أن تفعل هذه البكسلات الشبيهة بالتشابك في نظام أوسع. باستخدام سلوك الجهاز المقاس كلبنة بناء، يحاكون مصفوفة مكوّنة من 28×28 بكسل تغذي نموذج حوسبة مستوحى من الدماغ يدعى شبكة عصبية نابضة. يتدرّب هذا النظام الافتراضي على مجموعة قياسية من صور الأزياء—أحذية، قمصان، معاطف والمزيد—لاختبار التعرف وإزالة الضوضاء. بفضل استجابة الجهاز الشبيهة بالذاكرة، يمكن للشبكة المحاكية أن تُحسِّن الصور الضبابية والمليئة بالضوضاء مع الحفاظ على الحواف والأشكال. بعد عشرين جولة تدريبية، ترتفع دقة التعرف إلى ما يزيد عن 88 بالمئة، ما يُظهر أن الأجهزة ذات الذاكرة المدمجة والتعامل مع الضوء يمكنها دعم مهام معالجة صور ذات معنى.

ماذا يعني هذا لشاشات المستقبل

لغير المتخصص، الرسالة الأساسية أن ميكرو‑LED واحد مصمّم بعناية يمكنه أن يعمل كمستشعر ضوئي وعنصر ذاكرة وبكسل عرض في آن واحد، مع خفض بسيط للطاقة. بدلًا من رقائق منفصلة للكاميرات والمعالجات والشاشات، قد تجمع الأجهزة المستقبلية هذه الأدوار في طبقات من «البكسلات المفكرة» التي ترى وتذكّر وتعرض الصور في نفس المكان. إذا ما تم توسعته على نطاق واسع، فقد تقود هذه الشاشات النورومورفية إلى أجهزة أنحف تدوم لفترة أطول ببطارية واحدة وتتكيّف بسلاسة مع البيئات المتغيرة، وتقربنا خطوة نحو أنظمة رؤية تعمل بشكل أقرب إلى عين ودماغ الإنسان.

الاستشهاد: Hou, B., Yin, J., Zhao, Y. et al. Multifunctional micro-devices for neuromorphic computing, display and energy saving. npj Unconv. Comput. 3, 9 (2026). https://doi.org/10.1038/s44335-026-00058-4

الكلمات المفتاحية: شاشة نورومورفية, ميكرو-LED, شاشات موفرة للطاقة, التعرّف على الصور, تشابك بصري-إلكتروني