پوست الکترونیکی هوشمند در راه است

پژوهشگران در حال توسعه نسل جدیدی از تجهیزات الکترونیکی هستند که همانند پوست انسان کش می‌آیند خم می‌شوند و در عین حال مانند مغز توانایی یادگیری و پردازش اطلاعات دارند. این فناوری نوظهور که الکترونیک نرم نورومورفیک نامیده می‌شود می‌تواند آینده تعامل میان انسان و ماشین را متحول کند و راه را برای ساخت ابزار‌های پزشکی و پوشیدنی پیشرفته هموار سازد.

به گزارش ساینس دیلی، امروزه سامانه‌های هوش مصنوعی در بسیاری از زمینه‌ها از جمله تشخیص تصاویر تحلیل داده‌های پزشکی و پردازش اطلاعات عملکردی فراتر از انسان دارند، اما همچنان در یک محیط با محدودیت جدی روبه‌رو هستند: بدن انسان. مشکل اصلی این است که بافت‌های بدن نرم، انعطاف‌پذیر و همواره در حال حرکت هستند در حالی که تراشه‌ها و مدار‌های الکترونیکی رایج از جنس سیلیکون ساخته شده و ساختاری سخت و صلب دارند.

این تفاوت باعث می‌شود تجهیزاتی که روی اندام‌هایی مانند قلب، ریه‌ها، عضلات یا مفاصل نصب می‌شوند، به مرور زمان موجب تحریک بافت‌ها شوند تماس خود را از دست بدهند و در نهایت کارایی آنها کاهش یابد. به همین دلیل دانشمندان به دنبال راهکاری هستند که به جای تطبیق بدن با فناوری خود فناوری را با ویژگی‌های طبیعی بدن سازگار کند.

بر اساس مقاله مروری منتشرشده در نشریه International Journal of Extreme Manufacturing محققان در حال توسعه دسته‌ای جدید از تجهیزات الکترونیکی نرم هستند که قابلیت حسگری، ذخیره‌سازی اطلاعات و پردازش داده‌ها را در قالب موادی انعطاف‌پذیر و کشسان ترکیب می‌کنند. این سامانه‌ها نه‌تنها از نظر عملکرد بلکه از نظر ساختار فیزیکی نیز از مغز انسان الهام گرفته‌اند.

الهام از سازوکار مغز

برخلاف مدار‌های الکترونیکی متداول که تنها بر حرکت الکترون‌ها در مسیر‌های فلزی متکی هستند فناوری جدید از پلیمر‌های انعطاف‌پذیر و مواد ژل‌مانند موسوم به یونوژل استفاده می‌کند که قادر به انتقال هم‌زمان یون‌ها و الکترون‌ها هستند.

این فرآیند که رسانش آلی ترکیبی یونی-الکترونی نام دارد شباهت زیادی به نحوه انتقال سیگنال‌ها در سیستم عصبی انسان دارد. مواد فعال به‌کاررفته در این سامانه‌ها می‌توانند یون‌ها را از محیط جذب یا آزاد کنند و در نتیجه وضعیت الکتریکی داخلی خود را به‌طور مداوم تغییر دهند.

به همین دلیل یک ترانزیستور نرم می‌تواند رفتاری مشابه انعطاف‌پذیری سیناپسی از خود نشان دهد؛ فرآیندی زیستی که طی آن ارتباط میان سلول‌های عصبی در اثر تجربه و یادگیری تقویت یا تضعیف می‌شود. در عمل این ویژگی به سخت‌افزار اجازه می‌دهد همانند مغز بخشی از فرایند یادگیری را در خود انجام دهد.

انعطاف‌پذیری فراتر از پوست انسان

پیشرفت‌های اخیر در علم مواد توانایی کشسانی این تجهیزات را به سطحی چشمگیر رسانده است. برخی از این قطعات می‌توانند تا ۱۴۰ درصد طول اولیه خود کشیده شوند؛ رقمی که حتی از میزان کشسانی طبیعی پوست انسان نیز بیشتر است. این قابلیت امکان استفاده از آنها را در نواحی بسیار متحرک بدن مانند مفاصل فراهم می‌کند.

یکی دیگر از مزایای مهم این فناوری مصرف بسیار پایین انرژی است. این سامانه‌ها به جای استفاده از جریان‌های الکتریکی قوی، از فرآیند‌های الکتروشیمیایی کارآمد بهره می‌برند و می‌توانند وظایف پیچیده‌ای مانند طبقه‌بندی و تحلیل ریتم‌های قلبی را با ولتاژی کمتر از ۰.۵ ولت انجام دهند.

ولتاژ پایین به معنای تولید گرمای کمتر و کاهش تنش الکتریکی است؛ دو ویژگی حیاتی برای تجهیزاتی که قرار است به‌طور مداوم با بافت‌های زنده در تماس باشند.

آینده‌ای برای پوست الکترونیکی و ربات‌های نرم

این فناوری می‌تواند شیوه ساخت دستگاه‌های پوشیدنی را نیز دگرگون کند. در حال حاضر حسگر‌های سخت روی بستر‌های انعطاف‌پذیر نصب می‌شوند، اما در آینده ممکن است شبکه‌های پردازشی نرم به‌طور مستقیم روی مواد کشسان چاپ شوند.

چنین رویکردی امکان تولید پوست الکترونیکی و اندام‌های رباتیک نرم را فراهم می‌کند که قادر خواهند بود لمس، فشار و حرکت را در همان محل پردازش کرده و بدون نیاز به ارسال مداوم داده‌ها به یک رایانه خارجی، واکنش مناسب نشان دهند.

با وجود پیشرفت‌های قابل توجه استفاده بالینی و گسترده از این فناوری هنوز با موانعی روبه‌رو است. یکی از مهم‌ترین چالش‌ها حفظ اطلاعات در حافظه این سامانه‌ها است. بسیاری از حافظه‌های نرم فعلی پس از قطع سیگنال داده‌های ذخیره‌شده را به سرعت از دست می‌دهند و برای ذخیره‌سازی بلندمدت مناسب نیستند.

برای رفع این مشکل پژوهشگران در حال توسعه ساختار‌هایی موسوم به جزیره-پل هستند. در این طراحی واحد‌های حافظه دائمی روی جزایر کوچک و سخت قرار می‌گیرند تا از فشار‌های مکانیکی محافظت شوند در حالی که اتصالات میان آنها از رشته‌های بسیار انعطاف‌پذیر و کشسان تشکیل می‌شود.

دانشمندان معتقدند ترکیب این معماری با مواد شیمیایی پایدار زیست‌سازگار و غیرسمی می‌تواند مسیر عملی برای ساخت تجهیزات نورومورفیک بادوام را فراهم کند؛ تجهیزاتی که در آینده قادر خواهند بود برای مدت طولانی در تماس مستقیم با بدن انسان فعالیت کرده و نسل جدیدی از رابط‌های هوشمند میان انسان و ماشین را شکل دهند.

انتهای پیام/