جامعة كاليفورنيا في سان دييغو تطور جهاز ترانزستور عصبي بذاكرة قابلة للتحكم

عرض باحثو جامعة كاليفورنيا في سان دييغو طريقة للتحكم في كيفية تشكيل الأجهزة الإلكترونية التجريبية للذاكرة ومسحها، باستخدام التيار الكهربائي لتغيير سلوك مادة تسمى ثاني أكسيد التيتانيوم. يُطلق على الجهاز اسم الترانزستور العصبي، وهو يحاكي سلوك التبديل الكهربائي لبعض الخلايا العصبية البيولوجية. اكتشف الباحثون أنهم قادرون على التأثير في تبديلها لتصبح أكثر قابلية للتنبؤ أو تعود إلى حالة أقل قابلية للتنبؤ. قد يساعد هذا الاكتشاف العلماء في تصميم أجهزة حوسبة مستوحاة من الدماغ، تخزن المعلومات من خلال تغييرات في البنية الفيزيائية. وتهدف مثل هذه الأنظمة إلى أداء بعض وظائف الحوسبة والذاكرة بكفاءة أكبر من الطرق التقليدية، التي تتطلب نقل البيانات بين وحدات معالجة وذاكرة منفصلة.

استخدم فريق جامعة كاليفورنيا في سان دييغو بقيادة أستاذ الفيزياء أوليغ شبيركو، حيود الأشعة السينية المتماسكة لمراقبة التغييرات على المستوى النانوي داخل المادة عند مرور التيار الكهربائي عبر الجهاز. مكنهم ذلك من دراسة كيف تؤثر البنية الداخلية على سلوك التبديل. يمكن لثاني أكسيد التيتانيوم التحول بين حالات العزل الكهربائي والتوصيل. ويرافق هذا التغيير تغير في بنية المادة، مما يجعلها مفيدة لدراسة الأجهزة الإلكترونية التي تحاكي بعض خصائص الخلايا العصبية. في التجارب، فحص الباحثون كيف يؤثر التحفيز الكهربائي المتكرر على ترتيب وحركة المناطق الدقيقة داخل المادة.

منهجية البحث وخصائص المواد

تسمى هذه المناطق بالمجالات، ويمكنها التفاعل مع بعضها البعض عندما يتبدل الجهاز بين الحالات. حدد الفريق عملية تسمى الضغط، حيث تصبح حركة هذه المجالات مقيدة بشكل متزايد. ويبدأ تفاعلها في تقييد تغيرات المادة، بدلاً من السلوك المستقل. يدفع التحفيز الكهربائي المتكرر الذي يتجاوز عتبة معينة المادة نحو حالة الضغط هذه. ونتيجة لذلك، يصبح تبديل الجهاز اللاحق أكثر قابلية للتنبؤ، مما يدل على أن نشاطه الكهربائي المبكر أثر على سلوكه المستقبلي. اكتشف الباحثون أيضًا أن التحفيز بتيارات منخفضة يمكن أن يعكس هذا التأثير، مستعيدًا حالة التبديل الأقل قابلية للتنبؤ، مما يوفر طريقة للتحكم في سلوك الجهاز الشبيه بالذاكرة من خلال المدخلات الكهربائية.

تتبعت هذه التجارب التغييرات الهيكلية على مدى آلاف الثواني، مما مكن الباحثين من ربط التاريخ الكهربائي للجهاز بالتغييرات داخل المادة. تقدم هذه النتائج تفسيرًا فيزيائيًا لكيفية احتفاظ الترانزستور العصبي بمعلومات عن النشاط الكهربائي السابق، دون الحاجة إلى مكونات ذاكرة تقليدية منفصلة. في هذا السياق، لا تعني التعلم أن الجهاز يفهم المعلومات أو يحل المشكلات بشكل مستقل، بل تشير إلى تغيير قابل للقياس في سلوك التبديل الناجم عن التحفيز السابق. ويصف النسيان عكس هذا التغيير.

إمكانات الحوسبة العصبية الشكلية

هذا التمييز حاسم للحوسبة العصبية الشكلية، التي تهدف إلى بناء أنظمة إلكترونية مستوحاة من كيفية معالجة الخلايا العصبية وال突触 للمعلومات والاحتفاظ بها. قد يساهم جهاز قادر على تعديل استجابته بناءً على الإشارات الكهربائية السابقة في نهاية المطاف في دوائر تجمع بين وظائف الذاكرة والحوسبة. ومع ذلك، أظهر الباحثون هذه الآلية في نظام مادة تجريبية، وليس في معالج مستوحى من الدماغ كاملًا. ولا يزال هناك حاجة إلى مزيد من العمل لتحديد كيفية التحكم في السلوك بشكل موثوق عبر أجهزة متعددة، وسرعة تغير حالات الذاكرة، وما إذا كان هذا النهج يمكن أن يحقق توفيرًا قابلًا للقياس في الطاقة في الدوائر العملية.

تقدم الدراسة أيضًا طريقة لدراسة كيف تؤثر التغييرات الهيكلية على المستوى النانوي على التبديل الإلكتروني في المواد ذات التحولات الهيكلية والكهربائية المقترنة. ونُشرت هذه النتائج في مجلة "Nature Communications".

التطبيقات والتحديات المحتملة للتحكم في الذاكرة

تظهر نتائج هذا البحث أنه من خلال التحكم في سلوك ذاكرة الأجهزة الإلكترونية، قد تقترب أجهزة الحوسبة المستقبلية من طريقة عمل الأنظمة العصبية البيولوجية. وهذا لا يعزز كفاءة الحوسبة فحسب، بل يقلل أيضًا من نقل البيانات بين وحدات المعالجة والذاكرة، مما يوفر الطاقة. ومع ذلك، لا تزال التجارب في مراحلها المبكرة، ويحتاج الباحثون إلى مزيد من الدراسة حول كيفية التحكم في السلوك بشكل موثوق عبر أجهزة متعددة، وضمان قدرة هذه التقنيات على تحقيق التأثيرات المتوقعة في التطبيقات العملية.