فرایندهای زیستی مهندسیشده مصنوعی مانند سیستمهای درک، همچنان یک چالش پیچیده برای متخصصان الکترونیک آلی محسوب میشوند. این مسئله به دلیل وابستگی حواس انسانی به شبکهای تطبیقی از نورونهای حسی است که در واکنش به محرکهای محیطی، سیگنالهای عصبی ارسال میکنند.
به گزارش بخش مغز و اعصاب رسانه اخبار پزشکی مدنا، اکنون همکاری جدیدی بین دانشگاه نورثوسترن و مؤسسه فناوری جورجیا توانسته است تحولی نوین در این حوزه ایجاد کند. محققان این دو دانشگاه موفق به طراحی و ساخت یک نورون الکتروشیمیایی آلی با عملکرد بالا شدهاند که در محدوده فرکانسی نورونهای انسانی پاسخ میدهد. همچنین، آنها یک سیستم درک کامل ایجاد کردهاند که شامل طراحی مواد آلی دیگر و یکپارچهسازی نورونهای مهندسیشده با گیرندههای لمسی و سیناپسهای مصنوعی است. این سیستم قادر به شناسایی و پردازش سیگنالهای لمسی در زمان واقعی است.
این مطالعه پیشرفت چشمگیری را در حوزه الکترونیک آلی و کاربرد آن در پر کردن شکاف بین زیستشناسی و فناوری نشان میدهد. پروفسور یائو یائو، نویسنده اول مقاله و استاد مهندسی در دانشگاه نورثوسترن، در اینباره میگوید: «ما یک نورون مصنوعی کارآمد با ابعاد کوچک و ویژگیهای عصبی برجسته طراحی کردهایم. با استفاده از این توانایی، یک سیستم ادراکی نورومورفیک لمسی کامل توسعه دادیم که فرآیندهای زیستی واقعی را تقلید میکند.»
به گفته پروفسور توبین جی. مارکس، نویسنده مسئول مقاله و استاد شیمی در کالج علوم واینبرگ دانشگاه نورثوسترن، مدارهای عصبی مصنوعی موجود معمولاً در یک محدوده فرکانسی باریک عمل میکنند. او در این خصوص اظهار داشت: «نورون مصنوعی مورد مطالعه ما، عملکردی بیسابقه در تنظیم فرکانس شلیک عصبی دارد و دامنهای ۵۰ برابر وسیعتر از مدارهای عصبی الکتروشیمیایی آلی فعلی ارائه میدهد. ویژگیهای منحصر به فرد این دستگاه، آن را به دستاوردی پیشرفته در حوزه نورونهای الکتروشیمیایی آلی تبدیل کرده است.»
مارکس، که یکی از برجستهترین متخصصان در حوزههای شیمی آلی فلزی، کاتالیز شیمیایی، علم مواد، الکترونیک آلی، فوتوولتائیک و نانوفناوری محسوب میشود، علاوه بر تدریس در دانشکده مهندسی مککورمیک دانشگاه نورثوسترن، در رشتههای مهندسی مواد و مهندسی شیمی و زیستی نیز فعالیت دارد. نویسنده همکار این مقاله، پروفسور آنتونیو فاکتی، استاد دانشکده علوم و مهندسی مواد در مؤسسه فناوری جورجیا و استاد وابسته شیمی در دانشگاه نورثوسترن است.
فاکتی درباره اهمیت این پژوهش بیان کرد: «این مطالعه، اولین سیستم کامل ادراکی نورومورفیک لمسی مبتنی بر نورونهای مصنوعی را معرفی میکند که شامل گیرندههای لمسی و سیناپسهای مصنوعی است. این سیستم قادر است محرکهای لمسی را به سیگنالهای عصبی شلیکشونده رمزگذاری کرده و سپس آنها را به پاسخهای پساسیناپسی ترجمه کند.»
گروه پژوهشی این پروژه از متخصصان متعددی در زمینههای مختلف تشکیل شده است. در این پروژه، متخصصان سنتز آلی مواد پیشرفتهای را ایجاد کردند که سپس توسط پژوهشگران حوزه طراحی مدارهای الکترونیکی در فرآیند ساخت و یکپارچهسازی سیستم مورد استفاده قرار گرفت.
با در نظر گرفتن شبکه عظیم ۸۶ میلیارد نورون در مغز انسان که آماده شلیک هستند، بازآفرینی سیستمهای حسی انسانی همچنان یک چالش پیچیده باقی مانده است. محدودیتهای فعلی هم در ابعاد طراحی و هم در میزان تولید این سیستمها، مانع بزرگی برای پژوهشگران محسوب میشود. تیم تحقیقاتی امیدوار است که در مدلهای آینده، ابعاد این دستگاهها را بیش از پیش کاهش داده و یک گام دیگر به سمت شبیهسازی کامل سیستمهای حسی انسانی بردارد.
این پژوهش با حمایت مالی دفتر تحقیقات علمی نیروی هوایی ایالات متحده (FA9550-22-1-0423)، مرکز تحقیقات علوم و مهندسی مواد دانشگاه نورثوسترن (MRSEC) با حمایت بنیاد ملی علوم (DMR-230869)، شرکت Flexterra، بنیاد ملی علوم جوانان ممتاز چین (شماره ۳۲۴۲۵۰۴۰) و بنیاد ملی علوم طبیعی چین (شماره ۳۲۲۰۱۶۴۸) انجام شده است.
