شريحة حاسوبية تحاكي حاسة الشم

تعتبر حواس الإنسان من أهم الأدوات التي يعتمد عليها في التفاعل مع العالم المحيط به. واحدة من هذه الحواس هي حاسة الشم، التي تمكننا من التعرف على الروائح وتحليلها. وفي سبيل تطوير التكنولوجيا وتحسين تجربة المستخدم، تم ابتكار رقاقة حاسوبية تحاكي حاسة الشم. تعمل هذه الرقاقة الحاسوبية على تحليل الروائح وتحويلها إلى إشارات رقمية يمكن للحاسوب فهمها ومعالجتها. وبفضل هذه التكنولوجيا المبتكرة، يمكن للأجهزة الإلكترونية مثل الهواتف الذكية والأجهزة المنزلية أن تتعرف على الروائح المحيطة بها وتتفاعل وفقًا لذلك. تتيح هذه الرقاقة الحاسوبية العديد من الفوائد المحتملة في الحياة اليومية. فمن الممكن أن تساعد في تحسين تجربة المستخدم في مجالات متنوعة مثل الطب والغذاء والبيئة. على سبيل المثال، يمكن استخدام هذه التكنولوجيا في تشخيص الأمراض المرتبطة بالروائح، مما يساهم في تحسين الرعاية الصحية وتسهيل عملية العلاج.

مفهوم الأنف الإلكتروني

انطلاقًا من السابق، اكتشف العلماء أنظمة الأنف الإلكتروني التي تقوم بمحاكاة وظيفة الأنف البشري في الكشف عن الروائح . 

فكرة الأنف الإلكتروني تعتمد على استخدام دارة إلكترونية تستطيع تمييز الروائح من خلال تحليل بصمة الروائح الكيميائية لكل مركب. تعمل هذه الدارة بواسطة حساسات يتحكم فيها برنامج خاص يقوم بتعلم الأنماط المختلفة للروائح. وتأتي الأنف الإلكتروني عادة في أشكال وتصاميم مختلفة، ومن أشهر هذه التصاميم نظام TruffleBot الذي طوره باحثون من جامعة براون في عام2018. يتكون هذا النظام من دارة ذات أبعاد قدرها 2.5×3.5 إنش، توضع على الوجه العلوي لوحة Raspberry Pi للحوسبة، وتحتوي على ثمانية أزواج من الحساسات. كل حساس يحتوي على مستشعر كيميائي للكشف عن الروائح، ومستشعر ميكانيكي (مقياس رقمي) لقياس الضغط الجوي ودرجة الحرارة. يقوم هذا النظام بقياس التغيرات الصغيرة في الضغط الجوي ودرجة الحرارة، ثم يستخدم هذه الخصائص الفيزيائية للكشف عن الروائح .

في عام2020، اقترح علماء من شركة إنتل تطوير رقاقة إلكترونية تجسد بنية البلورة الشمية في الدماغ ( Olfactory Bulbs )‏ ، وتستخدم قدرات العمليات الموجودة في أدمغة الكائنات الحية لتحليل البيانات الواردة من الحاسوب .

 

مراحل بناء الأنماذج الأولي لرقاقة Loihi

تم بناء النموذج الأولي لرقاقة Loihi في عدة مراحل. تم تصميم دارة كهربائية متكاملة حساسة للروائح على رقاقة Loihi العصبية السيليكونية. ثم تم تدريب هذه الرقاقة على اكتشاف الروائح المميزة في المزيج المعقد من الرائحة باستخدام خوارزمية تعكس سلوك الإشارات الكهربائية التي تمر عبر الدارة عند تنشيطها. تم جمع البيانات التي تمت من خلال72 حساس كيميائي استجابة لعشر روائح مختلفة. بعد ذلك، قامت الدارة السيليكونية بمحاكاة مركز الشم في الدماغ وقامت بإنشاء تمثيل عصبي لكل رائحة من العشر روائح، على الرغم من وجود تداخل قوي بين الروائح المختلفة وكانت النتيجة إصدار النموذج الأولي للرقاقة .

 التحديات

تواجه هذه النظم تحديات من بينها التداخل والضجيج. إذ يمكن أحيانًا أن يكون من الصعب التمييز بين رائحتين متشابهتين في مزيج من الروائح. على سبيل المثال، قد تثير رائحة التوت والفراولة نماذج متشابهة للنشاط العصبي في الدماغ، مما يصعب تمييز تمثيل فريد لكل منهما . تعمل العلماء على تطوير مفهوم التعديل العصبي (Neuromodulation) والتحضير السياقي (Contextual Priming)‏ لتعزيز مقاومة الضجيج.

 

التحضير السياقي :

يتمثل التحضير السياقي في عملية نمذجة العلاقة بين السياق وخصائص الكائن والتصرف بناءً على ذلك. يُعتقد أن السياق يحتوي على معلومات غنية عن هوية الكائن وموقعه وحجمه.

 

الرؤية المستقبلية

هدف البحث هو تطوير معالجة حسية ذكية تعمل بسرعة وتكون موثوقة في الاستجابة. يُرى أنه يمكن استخدام الروبوتات المزودة بهذه التقنيات في مجالات متنوعة مثل الطب والبيئة والصناعة. تهدف الدراسات المستقبلية إلى توسيع مفهوم "أنظمة الأنف الإلكتروني" لتشمل جميع الحواس، حيث يعتبر فهم كيفية حل الدوائر العصبية لمشكلات مختلفة مهمًا لتصميم ذكاء اصطناعي فعال وقوي. يساهم هذا البحث في تطوير تكنولوجيا ذكية قادرة على مواجهة التحديات المستقبلية . فيعد نبيل إمام هو كبير الباحثين في مجموعة الحوسبة العصبية في Intel Labs ويحمل درجة الدكتوراه في الحوسبة العصبية. يتطلع نبيل إلى المستقبل ويعتبر الخطوة التالية لفريقه هي إضافة المزيد من الحواس لتعميم النهج الحالي لحل مجموعة أوسع من المشكلات. يستخدم النهج الحالي في تحليل المشهد الحسي وحل المشكلات المجردة مثل التخطيط واتخاذ القرار. إن فهم كيفية حل الدوائر العصبية للدماغ لهذه المشكلات الحسابية المعقدة سيوفر أدلة هامة لتصميم ذكاء اصطناعي فعال وقوي .