فريق البحث يطور حاسوبًا حيويًا قائمًا على البكتيريا لحل المشكلات المعقدة

قاد علماء من جامعة McGill فريق بحث دولي لإنشاء حاسوب حيوي يستخدم البكتيريا في عمليات الحساب. تتمثل إحدى المزايا المهمة لهذا النظام في قدرة البكتيريا على استكشاف حلول متعددة في وقت واحد. وبالتالي، قد تتطلب هذه التقنية ذاكرة وموارد أقل عند معالجة المشكلات المعقدة للغاية، مما يظهر كفاءة أعلى مقارنة بالحواسيب التقليدية. عندما يفكر الناس في الحواسيب، عادة ما يتبادر إلى الذهن الشرائح الإلكترونية والمعالجات والدوائر. ومع ذلك، قام العلماء الآن بتطوير نوع مختلف من أنظمة الحساب، يستخدم بكتيريا حية بدلاً من الأجهزة التقليدية.

يعتقد العلماء أن هذه التقنية يمكن أن تساعد في حل بعض المشكلات التي يصعب على الحواسيب العادية التعامل معها.

كيفية عمل الحاسوب الحيوي

كيف يغير الحاسوب الحيوي طريقة الحواسيب في حل المشكلات؟ عادة ما تحل الحواسيب التقليدية المشكلات خطوة بخطوة. تختبر حلاً محتملاً ثم تنتقل إلى التالي حتى تجد الإجابة الصحيحة. مع تزايد تعقيد المشكلة، تزداد الوقت والقدرة الحسابية المطلوبة. بينما يعمل الحاسوب الحيوي القائم على البكتيريا بطريقة مختلفة. فهو لا يفحص الحلول واحدة تلو الأخرى، بل يمكنه فحص عدة احتمالات في وقت واحد. لتحقيق ذلك، قام العلماء أولاً بتحويل المسائل الرياضية إلى شبكة مسارات، ثم أنشأوا قنوات صغيرة تُعرف باسم قنوات الميكروفلويد.

تمثل كل مسار حلاً محتملاً. عندما تتحرك البكتيريا في هذه القنوات، فإنها تختبر بشكل فعال عدة خيارات في وقت واحد على طول مسارات مختلفة. تعمل نقاط التقاطع الخاصة كنقاط اتخاذ قرار، تساعد في توجيه البكتيريا عبر الشبكة.

تكاثر البكتيريا والقدرة الحسابية

تتمثل إحدى الميزات الأكثر إثارة للاهتمام في هذه التقنية في أن نمو البكتيريا يزيد بشكل طبيعي من القدرة الحسابية. تتكاثر البكتيريا بسرعة كبيرة، مما يعني أن عدد المعالجات الحيوية يزداد مع مرور الوقت. مع إنتاج بكتيريا جديدة، تصبح المزيد من وحدات الحساب متاحة للمشاركة في هذه العملية. على عكس الحواسيب التقليدية التي تحتاج غالبًا إلى ترقية الأجهزة لتحسين الأداء، تستفيد هذه النظام من قدرة التكاثر الطبيعية للبكتيريا. كما يجب على الباحثين التحكم في نمو البكتيريا لمنعها من النمو المفرط. يحققون ذلك من خلال تعديل درجة حرارة النظام. من خلال ضبط الظروف البيئية، يمكن للعلماء إدارة سرعة تكاثر البكتيريا.

بعد ذلك، يتم استخدام أدوات تحليل الصور التلقائية لتتبع حركة البكتيريا وتحديد المسارات المؤدية إلى الحل الصحيح.

وفقًا لفريق البحث، تتمثل الميزة الرئيسية لهذه الطريقة في أن الملايين من المعالجات الحيوية يمكن أن تعمل معًا. على الرغم من أن سرعة البكتيريا الفردية ليست بمستوى المعالجات الإلكترونية، إلا أن عددًا كبيرًا من البكتيريا يمكن أن يستكشف احتمالات مختلفة بشكل متوازي. يساعد ذلك في تقليل الوقت المطلوب لحل بعض المشكلات المعقدة. "يمكن للحواسيب الإلكترونية الحديثة إجراء ملايين العمليات في الثانية باستخدام شريحة واحدة." قال المؤلف الرئيسي وأستاذ الهندسة الحيوية دان نيكولاو. "من خلال انقسام البكتيريا، لدينا مليون شريحة تعمل في وقت واحد. المزيد من الشرائح يعني أنه يمكن حل المشكلات بشكل أسرع، حتى لو كانت كل 'معالج' تقوم بعدد أقل من العمليات في الثانية."

يمكن أن يمتد الانقسام الأسي للبكتيريا إلى حجم المشكلة. هذه طريقة جديدة تمامًا للحساب."

يعتقد العلماء أن الحاسوب الحيوي قد يكون له تطبيقات في مجالات مثل الذكاء الاصطناعي، وتشفير البيانات، وعلم الأحياء الجزيئي. كما يمكن أن يساعد الباحثين في دراسة هياكل البروتين والتحديات العلمية الأخرى التي تتضمن عددًا كبيرًا من التوليفات المحتملة. حتى الحواسيب القوية قد تواجه تحديات في هذه المجالات. "تستهدف طريقتنا المشكلات التي لم يتم تصميم الحواسيب الإلكترونية لحلها، مثل رسم خرائط هياكل البروتين." قال نيكولاو. "وفقًا للتقارير، حلت الذكاء الاصطناعي هذه المشكلة، لكن هذا صحيح جزئيًا فقط، لأنه يمكنه فقط مسح البيانات المتاحة. نحن نقدم هذه التقنية لحل المشكلات، وليس لتقديرها بناءً على المعلومات السابقة."

أكد الباحثون أن الحاسوب القائم على البكتيريا ليس مصممًا ليحل محل الحواسيب التقليدية أو الكمومية. بل، تهدف إلى تكملة التقنيات الحالية، وتقديم طريقة أخرى لمواجهة التحديات الحسابية الصعبة. تسلط هذه الدراسة الضوء على إمكانيات الحوسبة الحيوية ودورها المحتمل في التكنولوجيا المستقبلية، بعد ما يقرب من عشرين عامًا من التعاون الدولي. تم نشر الورقة في مجلة Microsystems and Nanoengineering.

التطبيقات المحتملة والتحديات للحاسوب الحيوي

يمثل تطوير الحاسوب الحيوي طريقة جديدة تمامًا للحساب، تستفيد من خصائص البكتيريا لحل المشكلات التي يصعب على الحواسيب التقليدية التعامل معها. تكمن إمكانيات هذه التقنية في قدرتها على العمل في مجالات متعددة، خاصة في التحديات العلمية التي تتطلب معالجة عدد كبير من التوليفات. مع تكاثر البكتيريا، تزداد القدرة الحسابية، مما يوفر أفكارًا جديدة لحل المشكلات المعقدة. ومع ذلك، فإن هذه التقنية ليست مصممة لتحل محل أنظمة الحوسبة الحالية، بل كتكملة، مما يبرز أهمية الحوسبة الحيوية في التكنولوجيا المستقبلية.