بازتعریف مرزهای حیات با مهندسی الکترونیک ارگانیک و سیناپس های پروتئینی

 بازتعریف مرزهای حیات با مهندسی الکترونیک ارگانیک و سیناپس های پروتئینی

بزرگترین شکاف در تاریخ مهندسی مدرن، شکاف میان «سیلیکون» و «کربن» است. دنیای سخت و سرد مدارهای مجتمع با دنیای نرم، مرطوب و پویای زیست شناسی همواره مانند دو قطب ناهم نام رفتار کرده اند. ما برای دهه ها سعی کرده ایم با استفاده از الکترودهای فلزی صلب، با مغز و اعصاب انسان صحبت کنیم؛ تلاشی که شبیه به نواختن پیانو با دستکش های آهنی است. اما اگر بتوانیم این مرز را محو کنیم چه؟
تصور کنید تراشه ای دارید که نه از سیلیکون، بلکه از پلیمرهای رسانا و پروتئین هایی ساخته شده که تفاوت میان یک سلول زنده و یک مدار منطقی را نمی فهمند. الکترونیک زیستی (Bio-Organic Electronics) صرفا یک ابزار پزشکی نیست؛ این فناوری در حال ساختن پلی است که از روی آن، هوش مصنوعی می تواند مستقیما در تار و پود سیستم عصبی ما بافته شود. ما در حال حرکت به سمتی هستیم که در آن «پروتزهای عصبی» دیگر قطعاتی خارجی نیستند، بلکه بخشی از رشد بیولوژیک بدن ما خواهند بود.

در قلب این فناوری، ترانزیستورهای الکتروشیمیایی ارگانیک (OECT) قرار دارند. برای درک چگونگی عملکرد آن ها در سطح اتمی، باید مدل کلاسیک جابجایی الکترون ها در سیم را فراموش کنید و به جای آن، به رقص یون ها در یک محیط ژله ای فکر کنید.
در یک ترانزیستور معمولی، ما با قطع و وصل کردن یک میدان الکتریکی، جریان الکترون ها را کنترل می کنیم. اما در الکترونیک ارگانیک، ما از مواد پلیمری استفاده می کنیم که خاصیت «نیمه رسانایی نرم» دارند. این مواد برخلاف سیلیکون، اجازه می دهند که یون ها (ذرات باردار موجود در مایعات بدن مثل سدیم و پتاسیم) به داخل ساختار اتمی آن ها نفوذ کنند.
تمثیل مهندسی آن شبیه به یک «اسفنج هوشمند» است. وقتی سیگنالی از سوی یک سلول عصبی ارسال می شود، یون ها وارد خلل و فرج این پلیمر می شوند و آرایش الکترونی آن را به کلی تغییر می دهند. این نفوذ یونی باعث می شود رسانایی ماده به شدت تغییر کند. در واقع، این ترانزیستور نه با ولتاژهای خشک برقی، بلکه با «غلظت شیمیایی محیط» تحریک می شود.
در سطح اتمی، زنجیره های پلیمری مانند تارهای یک گیتار مرتعش می شوند و با جذب یا دفع یون ها، مسیر عبور جریان الکتریکی را باز یا بسته می کنند. این یعنی ما برای اولین بار مترجمی ساخته ایم که زبان شیمیایی بدن (یون ها) را مستقیما به زبان دیجیتال (الکترون ها) ترجمه می کند؛ آن هم با مصرف انرژی ای که هزاران برابر کمتر از تراشه های امروزی است.

چرا هنوز مغز ما به اینترنت ارگانیک متصل نشده است؟ مهندسی این رویا با چالش های بنیادین روبروست:
پایداری در محیط خصمانه بدن: بدن انسان محیطی مرطوب، شور و به شدت خورنده است. پلیمرهای ارگانیک به دلیل ساختار «نرم» خود، در برابر آنزیم ها و واکنش های دفاعی بدن به سرعت تخریب می شوند. ساخت ماده ای که هم رسانای عالی باشد و هم بتواند سال ها در مایعات بدن دوام بیاورد، یکی از بزرگترین معماهای علم مواد است.
سرعت پاسخ دهی: جابجایی یون ها در داخل یک ماده جامد یا ژله ای، بسیار کندتر از حرکت الکترون ها در مس است. اگرچه این سرعت برای صحبت با اعصاب ( که خودشان کند هستند) کافی است، اما برای پردازش های سنگین هوش مصنوعی هنوز یک مانع محسوب می شود.
سم شناسی اتمی: برخی از پلیمرهایی که بهترین عملکرد الکتریکی را دارند، برای سلول های زنده سمی هستند. مهندسی مولکولی باید راهی پیدا کند تا زنجیره های کربنی را به شکلی طراحی کند که سیستم ایمنی بدن آن ها را به عنوان «خودی» شناسایی کند.

الکترونیک ارگانیک در حال بازتعریف مفهوم «سخت افزار» است. ما از عصر تراشه های مربعی و صلب، به عصر «جوهر های الکترونیکی زنده» کوچ می کنیم؛ مدارهایی که می توان آن ها را روی پوست چاپ کرد یا حتی به درون بافت های آسیب دیده تزریق کرد تا خودشان را ترمیم کنند.
نتیجه گیری نهایی این است که تکامل بعدی بشر، نه در ابزارهای خارجی، بلکه در ادغام اتمی هوش مصنوعی با سیستم های بیولوژیک نهفته است. روزی فرا خواهد رسید که مرز میان یک «فکر» و یک «داده» به کلی از میان برود. ما در حال یادگیری این هستیم که چگونه با زبان خود طبیعت، یعنی با اتم های کربن و جریان یون ها، مهندسی کنیم تا به جای ساختن ماشین ها، «ماشین های زنده» را خلق کنیم.