محققان دیانای مصنوعی را با یک نیمهرسانا ترکیب کردند تا یک دستگاه حافظه فوقالعاده کممصرف ایجاد کنند که قادر به ذخیره و پردازش اطلاعات در یک مکان است. این فناوری بیوهیبریدی در نهایت میتواند به سیستمهای هوش مصنوعی و رایانههای نسل بعدی کمک کند تا از نظر انرژی بسیار کارآمدتر باشند.
دیانای به عنوان طرح ژنتیکی برای هر موجود زنده عمل میکند، اما همچنین روشی فوقالعاده متراکم برای ذخیره اطلاعات است. یک گرم میتواند حدود ۲۱۵ میلیون گیگابایت داده را در خود جای دهد. آوردن این ظرفیت ذخیرهسازی قابل توجه به الکترونیک میتواند منجر به مراکز داده کارآمدتر، پردازش سریعتر و سیستمهایی شود که قادر به مدیریت اطلاعات پیچیدهتر باشند.
چالش، یافتن راهی برای عملکرد مؤثر دیانای بیولوژیکی در کنار مواد الکترونیکی بوده است. محققان دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا اکنون رویکردی را برای غلبه بر این ناسازگاری طراحی کردهاند.
این پژوهش که در ژورنال Advanced Functional Materials منتشر شده و موضوع یک درخواست ثبت اختراع است، بر دو مؤلفه کلیدی متکی است: یکی دیانای مصنوعی است که از مولکولهای مهندسیشده شیمیایی موجود در بازار ساخته شده و در توالیهای ژنتیکی کوتاه متناسب با نیازهای الکترونیکی خاص مرتب شدهاند. دیگری پروسکایت کریستالی است؛ یک نیمهرسانا که قبلاً در فناوریهایی از جمله سلولهای خورشیدی، لیزرها و دستگاههای ذخیرهسازی داده استفاده میشود.
«کاویا اس. کرمانه»، محقق پسادکترا در علوم و مهندسی مواد در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا، گفت: «زیستشناسی و الکترونیک حوزههای متفاوتی هستند. پل زدن بین این دو حوزه نیازمند توسعه یک پلتفرم مواد کاملاً جدید بود که به آنها اجازه دهد به طور یکپارچه با هم کار کنند. با ترکیب قابلیتهای ذخیرهسازی اطلاعات دیانای با خواص الکترونیکی استثنایی نیمهرساناهای پروسکایت، ما یک سیستم بیوهیبریدی ایجاد کردیم که اساساً نحوه طراحی دستگاههای حافظه کممصرف را تغییر میدهد.»
ساخت یک دستگاه حافظه کممصرف
با استفاده از این مواد، تیم تحقیقاتی یک مقاومت حافظه به نام "ممریستور" ساخت که با انرژی بسیار کمی کار میکند. برخلاف مقاومتهای معمولی که در دستگاههایی از تلفنهای همراه گرفته تا شاتلهای فضایی، مقاومت مشخصی را در برابر جریان الکتریکی حفظ میکنند و با قطع برق، اطلاعات ذخیره شده خود را از دست میدهند، ممریستورها میتوانند سابقهای از فعالیت الکتریکی قبلی را حفظ کنند. آنها میتوانند جهت جریان قبلی را حتی پس از قطع منبع تغذیه به خاطر بسپارند.
این توانایی امکان ذخیره و پردازش اطلاعات را در همان مکان فراهم میکند؛ شبیه به نحوه عملکرد نورونها در مغز. چنین ترتیبی میتواند از اشکال همزمان و پیچیدهتر پردازش دادهها پشتیبانی کند. با این حال، به گفته محققان، سیستمهای تجاری عملی همچنان به ظرفیت ذخیرهسازی و انرژی الکتریکی کافی نیاز دارند تا بدون توانایی دیانای برای بستهبندی حجم عظیمی از اطلاعات در یک فضای بسیار کوچک با مصرف انرژی کم، پرهزینه و ناکارآمد شوند.
«بد پودل»، پژوهشگر همکار و استاد پژوهشی علوم و مهندسی مواد در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا، گفت: «با افزایش تقاضا برای هوش مصنوعی (AI)، ما به یک استراتژی جدید برای دستگاههای کممصرف و با ظرفیت ذخیرهسازی بالا نیاز داریم. انتظار میرود هوش مصنوعی و سایر فناوریهای نوظهور به طور فزایندهای به محاسبات نورومورفیک وابسته باشند که برای عملکرد بیشتر شبیه مغز انسان طراحی شده است. چنین سیستمهایی میتوانند چندین ورودی را به طور همزمان ارزیابی کرده و در عین حال بر اساس تجربیات قبلی و اولویتهای آینده تصمیمگیری کنند.
معمولاً برای ذخیره اطلاعات بیشتر، به انرژی بیشتری نیاز است. با این حال، این دستگاه ۱۰۰ برابر انرژی کمتری مصرف میکند و ظرفیت ذخیرهسازی آن بالاتر از دستگاههای ذخیرهسازی سنتی مانند فلش مموریها است.
مهندسی DNA برای هدایت الکتریسیته
برای ساخت این دستگاه، محققان نانوذرات نقره را به لایهای از توالیهای دیانای سفارشی اضافه کردند که به طور خاص برای ترکیبات و طولهای خاص طراحی شده و با لایههای نازک پروسکایت ادغام شدهاند.
این تکنیک که «دوپینگ» نامیده میشود، شامل معرفی مقدار کمی از ماده دیگری برای تولید خواص خاص است. در این مورد، افزودن نانوذرات نقره به دیانای اجازه داد تا الکتریسیته را هدایت کند و در عین حال به واحدهای مولکولی آن کمک کرد تا در یک چیدمان منظمتر قرار گیرند.
دیانای مصنوعی مزیت مهم دیگری نسبت به دیانای طبیعی دارد. برخلاف دیانای طبیعی، (رشتههای بلند و درهمتنیده که هنگام دست زدن مانند اسپاگتی مرطوب رفتار میکنند) قطعات کوتاه و سفت DNA مصنوعی را میتوان با دقت بسیار بیشتری در مقیاسهای بسیار کوچک مرتب کرد.
به گفته «نیلا اچ. ینوار»، استاد تحقیق و مدیر مرکز تعاملات بیومولکولی علوم زیستی موسسه «پن استیت هاک»، دیانای مهندسی شده مولکولی میتواند سازماندهی ساختاری، رسانایی الکتریکی قابل تنظیم و کنترل عملکردی را فراهم کند که دیانای طبیعی هنگام ترکیب در لایههای نازک نمیتواند به آن دست یابد.
دیانای و پروسکایت با هم بهتر کار میکنند
هنگامی که با هم ترکیب میشوند، دیانای آلاییده شده با نقره و پروسکایت مسیرهای بیوهیبریدی تشکیل میدهند که جریان جریان الکتریکی را از طریق دستگاه هدایت میکنند.
ساختارهای دیانای با دقت طراحی شده، همراه با پروسکایت، همچنین به پایداری غیرمعمول دستگاه کمک کردند. به گفته این تیم، این دستگاه به طور مداوم در دماهای نزدیک به ۲۵۰ درجه فارنهایت به کار خود ادامه داد و بیش از شش هفته در دمای اتاق عملکرد خود را حفظ کرد، که به طور قابل توجهی از استانداردهای عملکرد دستگاههای ذخیرهسازی حافظه مبتنی بر پروسکایت موجود فراتر رفت.
محققان همچنین گزارش دادند که سیستم جدید میتواند همان عملکرد حافظه را مانند فناوریهای مشابه انجام دهد، در حالی که تنها یک دهم انرژی مصرف میکند. این سطح از کارایی میتواند این رویکرد را به ویژه برای الکترونیک آینده که برای مدیریت حجم زیادی از اطلاعات با تقاضای انرژی کمتر طراحی شدهاند، جذاب کند.