محققان دستگاهی ساخته اند که نورون ها را تقلید میکند و نور را به سیگنال های الکتریکی تبدیل میکند.
محققان دستگاهی ساخته اند که نورون ها را تقلید میکند و نور را به سیگنال الکتریکی تبدیل میکند! کاربردها، نحوه کار و آینده این فناوری را در وبلاگ های ورت بخوانید!
تصور کنید دستگاهی ساخته شود که بتواند درست مانند نورون‌های مغز انسان عمل کند، اطلاعات را حس کند، پردازش کند و به زبان الکترونیکی با دنیای بیرون ارتباط برقرار کند. این دیگر یک رویای علمی-تخیلی نیست! محققان با تلاش‌های شبانه‌روزی خود، به تازگی موفق به ساخت چنین دستگاه شگفت‌انگیزی شده‌اند.
این اختراع بی‌نظیر که نورون‌های مغز را تقلید میکند و قادر است نور را مستقیماً به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل کند، میتواند انقلابی در زمینه‌های مختلف از جمله محاسبات الهام‌گرفته از مغز، حسگرهای نوری پیشرفته و حتی درمان‌های پزشکی ایجاد کند. با ما در این سفر علمی همراه باشید تا از جزئیات این دستاورد خارق‌العاده بیشتر بدانید.
نورون های مصنوعی: گامی نو در محاسبات الهام گرفته از مغز
در دهه های اخیر، تلاش های بسیاری برای ساخت نورون های مصنوعی صورت گرفته است. هدف اصلی از این تحقیقات، ایجاد سیستم‌های محاسباتی است که عملکرد مغز انسان را تقلید کنند. مغز انسان با میلیاردها نورون که به طور پیچیده‌ای به یکدیگر متصل شده‌اند، قادر به پردازش اطلاعات با سرعت و کارایی بسیار بالایی است. ساخت نورون‌های مصنوعی میتواند منجر به توسعه هوش مصنوعی بسیار پیشرفته‌تری شود که در زمینه‌های مختلف مانند تشخیص الگو، یادگیری ماشین و حل مسائل پیچیده، عملکردی به مراتب بهتر از سیستم‌های امروزی داشته باشد.
معرفی دستگاه شگفت‌انگیز: دیود تونل‌زنی رزونانس کوانتومی میکروپیلار (RTD)
به گفته (Breakthrough device mimics brain’s neurons, converts light into electrical signals)، به تازگی گروهی از محققان آزمایشگاه بین‌المللی فناوری نانو ایبری (INL) موفق به ساخت یک دیود تونل‌زنی رزونانس کوانتومی میکروپیلار (RTD) شده‌اند که میتواند به عنوان یک نورون حسی عمل کند. این دستگاه کوچک در مقیاس نانو قادر است نور را شناسایی کرده، داده‌ها را پردازش کند و آن را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل کند. نکته قابل توجه این است که تمامی این فرآیندها در یک قطعه نانومقیاس و با سرعت بالا، کارایی فوق‌العاده و مصرف انرژی بسیار کم انجام می‌شود.
عملکرد دستگاه: تقلید دقیق از نورون‌های حسی
برونو روميرا، پژوهشگر INL و نویسنده مسئول این مطالعه، بر نقش کلیدی این نورون مصنوعی در پیشرفت محاسبات کارآمد و حسگرهای نوری تاکید میکند. او می‌گوید: «این امر به دلیل استفاده از پدیده‌های کوانتومی امکان‌پذیر شده است.»
ساختار این دستگاه از ترکیب عناصر گروه 3 (B, Al, Ga, In) و گروه 5 (N, P, As, Sb) جدول تناوبی تشکیل شده است. این مواد که به طور گسترده در فتونیک و الکترونیک پرسرعت مورد استفاده قرار می‌گیرند، به گونه‌ای طراحی شده‌اند که مستقیماً به نور مادون قرمز نزدیک واکنش نشان دهند و امکان تشخیص و پردازش سیگنال کارآمد را در مقیاس نانو فراهم کنند.
بژویز ژاکوب، دانشجوی دکترا در INL و نویسنده اصلی این مطالعه، توضیح می‌دهد که وقتی شدت نور از آستانه معینی فراتر می‌رود، دستگاه وارد حالتی به نام مقاومت دیفرانسیل منفی می‌شود. این امر باعث ایجاد نوسانات ولتاژ با دامنه بزرگ می‌شود، به این معنی که سیگنال نور ورودی به پالس‌های الکتریکی ریتمیک تبدیل می‌شود، درست مانند الگوی شلیک نورون‌های بیولوژیکی.
مزایای کلیدی این فناوری نوین نسبت به سخت‌افزارهای نورومورفیک سنتی
به گفته ژاکوب، سخت‌افزارهای نورومورفیک معمولی برای تقلید از نحوه پردازش اطلاعات توسط نورون‌های بیولوژیکی، به مدارهای پیچیده‌ای متکی هستند که اجزای حافظه و نوسانگرهای جداگانه‌ای را در خود جای می‌دهند. این امر منجر به افزایش اندازه، مصرف انرژی و پیچیدگی سیستم می‌شود.
در مقابل، دستگاه جدید به طور یکپارچه این قابلیت‌ها را در یک قطعه واحد و فشرده ادغام میکند. در نتیجه، این دستگاه نه تنها نور را تشخیص می‌دهد، بلکه اطلاعات نوری را به نوسانات الکتریکی رمزگذاری میکند و عملکرد آن را فراتر از یک حسگر ساده ارتقا می‌بخشد.
کاربردهای بالقوه: از خودروهای خودران تا روباتیک فوق سریع
تیم تحقیقاتی معتقد است که رفتار این نورون مصنوعی، یک پیشرفت کلیدی در جهت توسعه سیستم های لبه ای هوشمند درون حسگر است که داده‌ها را در منبع پردازش می‌کنند و نیاز به پردازنده‌های خارجی بزرگ را از بین می‌برند. این فناوری نوظهور دارای کاربردهای بالقوه فراوانی در دنیای واقعی است، از جمله:
خودروهای خودران: استفاده در سیستم های بینایی ماشین برای تشخیص دقیق تر و سریع‌تر محیط اطراف.
LiDAR نسل بعدی: بهبود عملکرد سیستم های تشخیص نور و برد برای ایجاد نقشه‌های سه بعدی با وضوح بالا.
پردازش بصری فوق‌سریع برای روباتیک: افزایش سرعت و دقت بینایی روبات ها برای انجام وظایف پیچیده.
حسگر های نوری پیشرفته: توسعه حسگرهای با کارایی بالاتر و مصرف انرژی کمتر برای کاربردهای مختلف.
الهام از طبیعت: تقلید از مکانیسم‌های پردازش حسی در موجودات زنده
یکی دیگر از دلایل برجسته بودن این دستگاه، تقلید رفتار آن از فرآیندهای موجود در موجودات زنده است. دانشمندان این امر را با پالس‌های ریتمیک فعالیت عصبی که به سنجاقک‌ها کمک میکند تا طعمه خود را ردیابی کنند و پالس‌های نوسانی در پستانداران که برای پردازش حسی و هماهنگی مغز ضروری هستند، مقایسه کرده‌اند.
آن‌ها معتقدند که با تکثیر این الگوهای شلیک طبیعی در سخت‌افزار، راه را برای سیستم‌های بینایی مصنوعی الهام‌گرفته از زیست‌شناسی هموار می‌کنند که به ماشین‌ها امکان می‌دهد محیط اطراف خود را ببینند، درک کنند و به آن پاسخ دهند، همه این‌ها با استفاده از فناوری کوچک و کم‌مصرف.
آینده روشن: سیستم‌های هوشمند لبه‌ای با قابلیت پردازش داده در منبع
طراحی فشرده این دستگاه و سازگاری آن با پلتفرم های نیمه رسانای III–V موجود، آن را به گزینه‌ای ایده‌آل برای ادغام در حسگرها و سیستم‌های نوری آینده تبدیل میکند. این پیشرفت میتواند منجر به ساخت دستگاه‌های هوشمندتری شود که قادر به پردازش اطلاعات در همان لحظه دریافت هستند و نیاز به ارسال داده‌ها به پردازنده‌های مرکزی بزرگ را کاهش می‌دهند. این امر میتواند سرعت و کارایی سیستم‌ها را به طور چشمگیری افزایش داده و مصرف انرژی را به حداقل برساند.
عصری جدید در تعامل انسان و ماشین در راه است
دستگاه جدیدی که محققان ساخته‌اند و قادر به تقلید از نورون‌ها و تبدیل نور به سیگنال‌های الکتریکی است، یک گام بزرگ و هیجان‌انگیز در جهت توسعه فناوری‌های نوین به شمار می‌رود. این اختراع میتواند در زمینه‌های مختلف از جمله محاسبات، حسگری و روباتیک تحولات عظیمی ایجاد کند و راه را برای تعامل هوشمندتر و کارآمدتر انسان و ماشین هموار سازد. بی‌شک، این تنها آغاز راه است و در آینده‌ای نزدیک شاهد پیشرفت‌های شگفت‌انگیزتری در این زمینه خواهیم بود.
