Neuromorphic Infrared Fibre-Optic Event-Based Sensing with Fast and Efficient Photonic-Electronic Spiking Neurons
تقدم هذه الورقة نظام استشعار بالألياف الضوئية بالأشعة تحت الحمراء ذا بنية عصبية مبتكرة، يستخدم ثنائيات النفق الرنيني ذات الكشف الضوئي كخلايا عصبية نبضية تُحفزها الضوء لتمكين الكشف عن الظواهر البيئية مثل درجة الحرارة والحركة والصوت عن بُعد بشكل سريع وفعال من حيث استهلاك الطاقة وقائم على الأحداث، مما يتغلب على محدودية معالجة وتكرار البيانات في الاستشعار الضوئي التقليدي.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في العالم الحديث، غالبًا ما تتعرض مستشعراتنا لتدفق هائل من البيانات التي تجمعها. وسواء كان الأمر يتعلق بمراقبة جسر بحثًا عن شقوق، أو تتبع أنماط الطقس، أو الاستماع للمتسللين، فإن الأجهزة التقليدية تلتقط تدفقًا مستمرًا من المعلومات، وتسجل كل لحظة سواء كان هناك شيء مهم يحدث أم لا. هذا التسجيل المستمر يستهلك كميات هائلة من الطاقة ويتطلب أنظمة تخزين ضخمة، مما يخلق عنق زجاجة يبطئ عملية اتخاذ القرار. ومع ذلك، فإن الطبيعة قد حلت هذه المشكلة منذ زمن بعيد؛ فالحواس البيولوجية، مثل أعيننا وآذاننا، لا تسجل تدفقًا ثابتًا من البيانات، بل تعمل على أساس "مدفوع بالحدث". فهي تظل هادئة حتى يحدث تغيير ما، ثم ترسل إشارة سريعة إلى الدماغ فقط عند وقوع حدث جديد. هذا النهج فعال للغاية، حيث يستخدم الحد الأدين من الطاقة لنقل ما يهم بالضبط. ولطالما سعى العلماء لبناء آلات تحاكي هذه الكفاءة البيولوجية، عبر إنشاء أنظمة "عصبية الشكل" (neuromorphic) تعالج المعلومات مثل الدماغ بدلاً من الكمبيوتر التقليدي. وكان التحدي يكمن في الجمع بين هذا المنطق الذكي القائم على الأحداث وبين سرعة ومدى الاتصال القائم على الضوء، والذي يشكل العمود الفقري للبنية التحتية العالمية للإنترنت.
وقد أظهر فريق من الباحثين في جامعة ستراثكلايد وزملاؤهم في البرتغال والمملكة المتحدة الآن طريقة جديدة للقيام بذلك بالضبط. فقد بنوا نظام استشعار يستخدم كابلات الألياف الضوئية القياسية، وهي نفس النوع الذي ينقل حركة مرور الإنترنت عبر المحيطات، للكشف عن التغيرات البيئية. وبدلاً من إرسال بث فيديو مستمر للبيانات إلى كمبيوتر مركزي، ينتظر نظامهم وقوع حدث معين. فعندما يحدث تغيير — مثل تغير في درجة الحرارة، أو اهتزاز، أو صوت — فإنه يحفز نبضة كهربائية صغيرة فائقة السرعة. تعمل هذه النبضة كإشارة على وقوع حدث ما، حاملةً معلومات حول شدة الحدث دون الحاجة إلى نقل ملف ضخم من البيانات الخام. ويكمن جوهر هذا الابتكار في مكون خاص يسمى "ثنائي نفق رنيني كاشف للضوء" (photo-detecting resonant tunneling diode). تخيل هذا الجهاز كمفتاح ضوء عالي الحساسية، عندما يتم تحفيزه بمقدار معين من الضوء، ينتقل إلى حالة يطلق فيها نبضات كهربائية سريعة. ومن خلال توصيل هذا الجهاز بمستشعر مدمج في كابل ألياف ضوئية، نجح الباحثون في إنشاء نظام يمكنه "الاستماع" إلى البيئة والاستجابة بسرعة البرق، كل ذلك مع استهلاك طاقة قليلة جدًا.
اختبر الباحثون نظامهم عن طريق دمج مستشعر خاص، يُعرف باسم "محزز براج للألياف" (Fiber Bragg Grating)، مباشرة في كابل الألياف الضوئية. تم تصميم هذا المستشعر ليعكس الضوء عائدًا نحو الكاشف عندما يتعرض للاضطراب. وفي تجربتهم الأولى، راقبوا التغيرات في درجات الحرارة؛ حيث قاموا بتدفئة المستشعر قليلاً، مما تسبب في عكس المزيد من الضوء باتجاه الكاشف. ومع ارتفاع درجة الحرارة، لم يكتفِ الكاشف بإرسال إشارة ثابتة، بل بدأ في إطلاق نبضات كهربائية. وكلما زادت الحرارة، زادت سرعة إطلاق هذه النبضات. وقد سمح ذلك للنظام بالتمييز بين حالة السكون وبيئة دافئة بشكل فوري. ثم اختبر الباحثون قدرة النظام على اكتشاف الحركة الفيزيائية؛ فمن خلال النقر برفق على كابل الألياف الضوئية، أحدثوا إجهادات صغيرة أدت إلى إزاحة انعكاس المستشعر. استجاب النظام على الفور، مطلقًا دفعة من النبضات طوال مدة النقر، بل وتمكن من التمييز بين النقر الخفيف والنقر القوي، حيث غيرت قوة النقر من تردد النبضات.
وتجاوزًا لمجرد النقر ودرجات الحرارة، أثبت الفريق أن النظام يمكنه اكتشاف الصوت وحتى تيارات الهواء سريعة الحركة. فقد قاموا بتوصيل كابل الألياف الضوئية بمكبر صوت يشغل نغمات صوتية، ومع اهتزاز المكبر، تعرض الكابل لإجهادات أدت إلى إزاحة انعكاس المستشعر، فقام الكاشف بإطلاق نبضات متناغمة مع الموجات الصوتية. وعندما شغّلوا أصواتًا معقدة، مثل طقطقة النار أو زئير الطائرة، أنتج النظام أنماطًا فريدة من النبضات لكل صوت، مما أدى فعليًا إلى تشفير الصوت في تدفق من الأحداث الكهربائية. وأخيرًا، اختبروا النظام ضد الاضطرابات سريعة الحركة عن طريق نفخ هواء مضغوط باتجاه الكابل؛ فاكتشف النظام هذه التحركات السريعة والفوضوية، حيث أطلق نبضات وصلت معدلاتها إلى 11 مليون مرة في الثانية. وقد أثبت هذا أن التكنولوجيا يمكنها التعامل مع أحداث تتغير آلاف المرات في الثانية، وهي سرعة تتجاوز بكثير ما يمكن للعديد من المستشعات التقليدية إدارته بكفاءة.
تكمن أهمية هذا العمل في قدرته على جلب الذكاء إلى "حافة الشبكة". فبدلاً من إرسال تيرابايت من البيانات الخام إلى خادم مركزي للتحليل، يقوم المستشعر نفسه بمعالجة المعلومات ويرسل فقط الأحداث الجوهرية. هذا النهج يقلل بشكل كبير من الطاقة المطلوبة للمراقبة ومساحة التخزين اللازمة للبيانات. وقد أظهر الباحثون أن نظامهم يعمل عبر نطاق واسع من السرعات، بدءًا من تغيرات درجات الحرارة البطيئة التي تحدث على مدى دقائق، وصولاً إلى اضطرابات الهواء السريعة التي تتغير في أجزاء من الثانية. ولأن النظام يستخدم تقنية الألياف الضوئية القياسية ويعمل عند الأطوال الموجية المستخدمة في الاتصالات العالمية، يمكن دمجه في البنية التحتية القائمة دون الحاجة إلى تغيير شامل. وتؤكد الدراسة أنه من الممكن إنشاء شبكات استشعار عن بعد ليست سريعة وفعالة فحسب، بل قادرة أيضًا على اتخاذ قرارات فورية بناءً على ما "تراه" وما "تسمعه". وهذا يفتح الباب أمام مراقبة أكثر ذكاءً للبنية التحتية الحيوية، من الجسور والمباني إلى النطاقات الأمنية، حيث يمكن للكشف السريع والموفر للطاقة عن الأحداث أن يمنع الكوارث ويحسن السلامة.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.