الکترونیک نورومورفیک نرم؛ پوست هوشمند آینده برای بدن انسان

تصور کنید یک وصله نازک همراه با پوست شما حرکت کند، ضربان قلب را حس کند، ریتم‌های بدن را بیاموزد و خود را سازگار کند، آن هم بدون آنکه اثری از یک تراشه سخت و صلب در آن باشد. شبیه داستان‌های علمی تخیلی به نظر می‌رسد. اما چنین نیست.

دنیای سیلیکونی امروز در سرعت خام و دقت عملکرد بی‌رقیب است. اما کافی است یک دستگاه متعارف را روی قلب تپنده یا آرنجی در حال خم شدن قرار دهید تا مشکلات یکی پس از دیگری ظاهر شوند: تحریک پوستی، از دست رفتن تماس، خرابی مکانیکی. بدن نرم، گرم و همواره در حرکت است. در مقابل، الکترونیک مدت‌هاست سرسختانه خشک و صلب مانده است.

پژوهشگران در حال تغییر این روایت هستند. یک مرور تازه در International Journal of Extreme Manufacturing نسل جدیدی از دستگاه‌ها را معرفی می‌کند که حسگری، حافظه و محاسبات را در موادی ادغام می‌کنند که مانند بافت بدن خم و کشیده می‌شوند. این‌ها فقط بردهای مدار چاپی انعطاف‌پذیر نیستند. این دستگاه‌ها سامانه‌های نورومورفیک هستند، یعنی سخت‌افزارهایی که شیوه محاسبه مغز و شیوه حرکت پوست را الگو قرار می‌دهند.

این فناوری چگونه کار می‌کند؟ به جای تکیه صرف بر الکترون‌هایی که در فلزات با سرعت حرکت می‌کنند، این دستگاه‌ها از پلیمرهای نرم و آیونوژل‌های ژل‌مانند استفاده می‌کنند که هم الکترون و هم یون را منتقل می‌کنند. این انتقال دوگانه شبیه پیام‌رسانی الکتروشیمیایی اعصاب است. مواد می‌توانند یون‌ها را از محیط جذب یا به آن دفع کنند و در نتیجه وضعیت الکتریکی خود را در طول زمان تغییر دهند. نتیجه این است که یک ترانزیستور نرم می‌تواند مانند سیناپس عمل کند و در پاسخ به محرک‌ها، اتصال‌ها را تقویت یا تضعیف کند. یادگیری، در خود بافت دستگاه ساخته شده است.

قابلیت کشسانی نیز جهشی جدی داشته است. برخی اجزا اکنون می‌توانند تا حدود ۱۴۰ درصد طول اولیه خود کشیده شوند، میزانی که برای همراهی با کشش پوست انسان روی مفصل‌ها بیش از اندازه کافی است. ولتاژهای کاری پایین، که اغلب کمتر از ۰.۵ ولت هستند، گرما و تنش الکتریکی را به حداقل می‌رسانند. این موضوع زمانی اهمیت زیادی دارد که دستگاه‌ها قرار است هفته‌ها، ماه‌ها یا حتی بیشتر در تماس با بافت زنده باقی بمانند.

روند ساخت نیز در حال تغییر است. به جای چسباندن حسگرهای صلب روی زیرلایه‌های نرم، مهندسان در حال بررسی شبکه‌های چاپی هستند که در آن‌ها حسگری، حافظه و پردازش در یک ماده پیوسته کنار هم حضور دارند. یک پوست الکترونیکی را تصور کنید که لمس را به صورت محلی تفسیر می‌کند، یا یک اندام رباتیک نرم که بدون ارسال مداوم داده به سروری دوردست، حس می‌کند و واکنش نشان می‌دهد.

چالش‌ها همچنان باقی است. حافظه کوتاه‌مدت شاید دشوارترین مسئله باشد. بسیاری از عناصر حافظه نرم، پس از قطع محرک به سرعت محو می‌شوند. راهکار پیشنهادی از یک ترکیب هوشمندانه الهام می‌گیرد: جزیره‌های کوچک و صلب حافظه دائمی را در خود جای می‌دهند، در حالی که اتصال‌های کشسان و مارپیچی سیگنال‌ها را میان آن‌ها منتقل می‌کنند. این طراحی جزیره و پل، اجزای حساس را از کرنش محافظت می‌کند و در عین حال انعطاف‌پذیری کلی دستگاه را حفظ می‌کند.

شیمی به اندازه مکانیک اهمیت دارد. دستگاه‌های بادوام به موادی نیاز دارند که در برابر تخریب مقاوم باشند و برای بافت زنده سمی نباشند. پژوهشگران در حال تنظیم فرمولاسیون پلیمرها و شیمی یون‌ها هستند تا میان پایداری، زیست‌سازگاری و عملکرد، تعادلی دقیق ایجاد کنند.

الکترونیک نورومورفیک نرم نوید آینده‌ای را می‌دهد که در آن ماشین‌ها و بدن‌ها بی‌وقفه‌تر با هم ادغام می‌شوند، در لحظه حس می‌کنند، یاد می‌گیرند و سازگار می‌شوند، در حالی که همراه با پوست ما حرکت می‌کنند.

آیا این سامانه‌ها از نمونه‌های آزمایشگاهی به ایمپلنت‌های پزشکی و پوشیدنی‌های روزمره تبدیل خواهند شد؟ نقشه راه امروز روشن‌تر از پنج سال پیش است، اما پیمودن این مسیر به همکاری گسترده میان علم مواد، طراحی مدار و زیست‌شناسی نیاز دارد. شاید پیشرفت بزرگ بعدی از تراشه‌ای سریع‌تر نیاید، بلکه از تراشه‌ای نرم‌تر برسد که سرانجام می‌فهمد چگونه حس کند.