الحوسبة
رقائق الشم الحيوية المحاكاة: هل الذكاء الاصطناعي والأنف الإلكتروني هو العصفور الكناري التالي في منجم الفحم؟
أضف Securities.io إلى مصادرك المفضلة على Google
صعوبات الشم الاصطناعي
في حين أن الرؤية الآلية حققت تقدماً هائلاً خلال السنوات القليلة الماضية، فإن الحواس الاصطناعية الأخرى تأخرت. أحد هذه الحواس هو الشم أو “الرائحة”.
ذلك لأننا نعرف منذ زمن طويل كيفية الحصول على إشارة كهربائية دقيقة استجابة للضوء، وهو ما استُخدم على نطاق واسع منذ ظهور أول الكاميرات الرقمية. وعلى النقيض من ذلك، فإن الشم هو أساساً اكتشاف المواد الكيميائية المتطايرة.
- المواد الكيميائية العطرية نادراً ما تكون “نقية”. بل تتواجد في خلطات معقدة قد تعقّد اكتشافها.
- حد الكشف المطلوب لمضاهاة حاسة الشم لدى الإنسان أو الحيوان منخفض جداً، حيث يتم اكتشاف التركيزات عادةً في نطاق جزء بالمليون (ppm) أي 0.0001٪.
- التصغير ضروري لمعظم التطبيقات، ويتطلب كلًّا من الرقائق المتقدمة واستهلاك طاقة منخفض.
- أي كشف يعتمد على تفاعل كيميائي سيتطلب تغييرات دورية للمحفزات أو المواد الكيميائية المستخدمة في المستشعر.
لهذه الأسباب، يقتصر الكشف الرقمي الكيميائي/الشم حالياً على عدد قليل من المركبات الكيميائية. وعادةً ما يُستخدم في بيئات صناعية حيث يُتوقع أن تأتي المواد الكيميائية الخطرة من حوادث أو تسربات، مثل أول أكسيد الكربون، الأوزون، الكلور، وغيرها.
قد يتغير ذلك بفضل تطوير رقائق الشم الحيوية المحاكاة من قبل باحثين في فريق البروفيسور فان تشييونغ، أستاذ رئيسي في جامعة هونغ كونغ للعلوم والتكنولوجيا (HKUST).
المصدر: HKUST
رقائق الشم الحيوية المحاكاة
كيف يعمل الشم؟
تعمل حاسة الشم لدى الحيوانات والبشر من خلال مجموعة من “الكواشف الكيميائية” تسمى مستقبلات الشم، القادرة على اكتشاف مجموعة واسعة من المواد المتطايرة بحساسية عالية.
عدد الجينات التي تشفر لهذه المستقبلات يمكن أن يتراوح بين 300 إلى 1,200 حسب النوع ومدى أهمية الشم له.
وبالتالي، بدلاً من وجود مستقبل واحد لكل جزيء كيميائي محتمل، كل مركب سيحصل على “بصمة” فريدة تُنتج عند تنشيط هذه المستقبلات بطرق مختلفة قليلاً. ثم تقوم كرات الشم بتجميع هذه الإشارة المعقدة إلى إشارة عصبية وتفسيرها بواسطة جزء من الدماغ يُسمى المجمع الشمي.
بناء رقائق الشم
أنشأ باحثو HKUST طريقة لتقليد هذا النظام، متجاوزين قيود بناء مستقبل مصغر لكل مركب كيميائي محتمل.
قاموا بتجميع مصفوفات حساسات أنابيب النانو على ركيزة مسامية نانوية، ما وصل إلى ما يصل إلى 10,000 حساس غاز يمكن توجيه كلٍّ منها على حدة في كل رقاقة.
تُعالج هذه البيانات بعد ذلك بواسطة خوارزمية شبكة عصبية لتُترجم إلى “إدراك” لرائحة رقمية كيميائية محددة.
المصدر: HKUST
إمكانات رقائق الشم
يمنح هذا التصميم رقائق الشم القدرة على اكتشاف وجود وتركيز أكثر من عشرة مواد كيميائية في آن واحد.
كمثال توضيحي، أنشأ الفريق رقاقة شم حيوية محاكاة أظهرت حساسية استثنائية لمختلف الغازات، وتميزاً ممتازاً للغازات المختلطة و24 رائحة متميزة.
ثم دمجوا كلًّا من رقاقة الشم وحساسات الرؤية على كلب روبوتي، مكوّنين نظامًا مشتركًا للشم والرؤية يمكنه تحديد الأشياء داخل صناديق عمياء بدقة، تمامًا مثل “كلب حقيقي”.
المصدر: HKUST
تطبيقات رقائق الشم
السلامة
أسرع تطبيق لرقائق الشم هو حيث تُستَخدم معظم كواشف المواد الكيميائية حالياً: تطبيقات السلامة. ويشمل ذلك المصانع، محطات معالجة المياه، الصناعات البتروكيميائية، كشف تسرب الأنابيب، والرصد البيئي (تلوث الهواء، إلخ).
يمكن لهذه الأنواع الجديدة من الكواشف اكتشاف عدد أكبر من المواد الكيميائية في آن واحد مقارنةً بالتقنيات السابقة، ما يسمح بتدفق بيانات أوسع وتقييم أفضل للسلامة.
الدفاع والأمن
كما أظهر نموذج الكلب الروبوتي، يمكن استخدام نظام كشف كهذا لاكتشاف التهديدات غير المرئية. من تهريب المخدرات إلى كشف المتفجرات، كل نشاط يُستَخدم فيه كلاب الكشف يمكن أن يُنظّم بفضل دمج الذكاء الاصطناعي، الروبوتات المستقلة، ورقائق الشم.
كما يمكن للبحث والإنقاذ الاستفادة من رقائق الشم للعثور على الناجين تحت المباني المدمرة بعد كارثة طبيعية.
الغذاء والزراعة
أحد الأسباب التي تجعل معظم الحيوانات تمتلك حاسة شم متطورة هو القدرة على تمييز ما إذا كان الطعام صالحًا أو فاسدًا. يمكننا تخيل أن رقائق شم حساسة متخصصة في المنتجات الغذائية ستكون مفيدة جدًا لصناعة الطعام.
وبالمثل، يمكن استخدام طائرات الزراعة بدون طيار لتشم رائحة نضوج الفواكه، وجود أمراض فطرية في المحاصيل، أوpheromones الحشرات، وغيرها.
الكشف عن السرطان والأمراض
من المعروف منذ فترة أن بعض الأمراض ترتبط بإصدار روائح محددة. وقد ثبت الآن أن البيانات القصصية عن قدرة القطط أو الكلاب على اكتشاف السرطان ليست مجرد أساطير حضرية، بل تم إثباتها عبر استخدام حساسات صناعية.
ومن أبرز الأمثلة، بدأت عدة أنواع من السرطان تُكتشف عبر هذه الأساليب، مع “الأنف الإلكتروني” القادر على ذلك بدقة 95٪.
تشير النتائج إلى أن الأداة التي طورها بنّيتش — والتي تستخدم الذكاء الاصطناعي وتعلم الآلة لتفكيك مزيج المركبات العضوية المتطايرة (VOCs) المنبعثة من خلايا عينات بلازما الدم — قد تكون نهجًا غير جراحي لفحص السرطانات الصعبة مثل سرطان البنكرياس ومبيض الرحم.
نرى أيضًا شركات مثل BrainChip (BRN.AX ) تستخدم الكشف الرقمي للشم لاكتشاف البكتيريا في عينات الدم.
من المرجح أنه كلما أصبحت رقائق الشم أكثر حساسية وقادرة على اكتشاف عشرات أو مئات المركبات في آن واحد، زادت فرص استخدام هذه الاكتشافات للتشخيص، ليس فقط للسرطان بل للعديد من الأمراض الأخرى، خاصة الأمراض الأيضية.
وعلى عكس النسخة الحالية، قد يتمكن المستقبل من تحقيق ذلك فقط من رائحة بشرتنا أو أنفاسنا، دون الحاجة حتى إلى عينة دم.
الهواتف الذكية والإلكترونيات
كنظام قائم على السيليكون بالكامل، يمكن دمج رقائق الشم في أدواتنا الإلكترونية الصغيرة المتوفرة في كل مكان مثل الهاتف الذكي.
قد يكون ذلك مفيدًا للمراقبة المستمرة واكتشاف التهديدات تلقائيًا مثل أول أكسيد الكربون، الدخان، أو تسرب الغاز، أو لتقييم سلامة الطعام.
يمكننا أيضًا تخيل تطبيقات أكثر بساطة ولكنها محتملة ومفيدة وشعبية، مثل المساعدة أثناء الطهي، التعرف على التوابل، وغيرها.
على المدى الطويل، إذا تم ربطها بـ “مولد رائحة”، قد تمكّن من نقل الروائح (ويُفضَّل أن تكون روائح جيدة) رقمياً بين الهواتف.
اكتساب حواس جديدة
تطبيق آخر أبعد في المستقبل، لكنه ليس مستحيلًا، هو دمج قدرة هذه الرقائق في جسم الإنسان.
خاصةً مع التقدم السريع في واجهات الإنسان-الآلة، مثل، على سبيل المثال، Neuralink لإيلون ماسك.
يمكننا بسهولة تخيل دمج مثل هذا المستشعر في أجسامنا ليُنبهنا إلى المواد الكيميائية الضارة بمستويات أقل مما يمكن للبيولوجيا الطبيعية اكتشافه. أو للمواد التي لا نستطيع اكتشافها طبيعيًا على الإطلاق.
“في المستقبل، مع تطوير مواد حيوية متوافقة، نأمل أن تُوضع رقاقة الشم الحيوية المحاكاة على جسم الإنسان لتسمح لنا بشم الروائح التي لا يمكن شَمّها عادة.
يمكنها أيضًا مراقبة الشذوذ في الجزيئات العضوية المتطايرة في أنفاسنا وما تُصدره بشرتنا، لتُنبهنا إلى الأمراض المحتملة، مما يفتح آفاقًا أوسع للهندسة الحيوية المحاكاة.”
Prof. Fan Zhiyong
شركات رقائق الشم
من المحتمل أن يقتصر إمكان رقائق الشم في السنوات الأولى على التطبيقات “الجادة” ذات حالات الاستخدام الواضحة، من تشخيص الأمراض إلى كشف التهديدات. لذا فإن هذه التطبيقات هي الأكثر احتمالًا للعثور على شركات قد تستفيد من هذه الابتكارات.
(هذه القائمة لم تشمل شركات الرقائق التي لديها إمكانات قوية في رقائق الشم والحساسات، لكن الجزء الأكبر من إيراداتها سيظل على الأرجح مدفوعًا برقائق الحوسبة “الكلاسيكية”، مثل على سبيل المثال رقاقة إنتل العصبية أو رقاقة IBM SyNAPSE – الحوسبة العصبية الفعّالة طاقةً).
1. BrainChips Holdings (BRN.AX)
تختص هذه الشركة في الذكاء الاصطناعي بإنشاء رقاقة تحاكي دماغ الإنسان عبر محركات طبقة الشبكة العصبية (NPEs).
تدعي أنها الأولى التي تج commercialize التكنولوجيا العصبية. كما ترى نفسها متقدمة على منافسين جديين مثل رقاقة IBM وإنتل، بفضل التعلم داخل الرقاقة، سير عمل التعلم الآلي القياسي، والالتفاف داخل الرقاقة.
تركز على تطبيقات الرؤية، الصوت، الشم، وتطبيقات المحولات الذكية.
(INTC )
المصدر: BrainChip
يجعل هذا الشركة مرشحًا جيدًا جدًا للاستفادة من تقدم رقائق الشم. يمكنها ترخيص اكتشاف HKUST مباشرةً، أو محاولة تكراره، أو رؤية رقاقة خاصة بها تصبح جزءًا أساسيًا من العتاد المطلوب لتفسير بيانات مصفوفة حساسات الأنابيب النانوية.
تراها الشركة سوقًا محتملًا هائلًا لمنتجاتها، بما في ذلك رؤى الآلة وقدرات الشم.
المصدر: BrainChip
تمتلك BrainChip نموذج أعمال IP عالي الهامش، حيث تُرخص تقنيتها مقابل رسوم مقدمة وتدفقات عوائد، ثم تتعاون مع مُدمجي الأنظمة لإنشاء المنتج النهائي.
2. Honeywell
HON مخطط السعر
تُعد Honeywell رائدة في مجال الكشف والحساسات، وتتمتع بحضور قوي أو مهيمن في صناعات مثل أتمتة المباني، الطيران، والسلامة (العديد من أنشطتها في الطيران والبناء مرتبطة بتقنيات الحساسات).
كقائد معترف به في الحساسات والرصد، يمكنها أن تكون في موقع مثالي لتسويق وتوسيع نطاق كواشف الغاز من حالتها المحدودة الحالية (لكن المربحة بالفعل) إلى أداة موجودة في كل مكان.
المصدر: Honeywell
تتقف أيضًا في طليعة ابتكارات تكنولوجية أخرى، وخاصة الحوسبة الكمومية عبر امتلاكها 54٪ من Quantinuum وقطاع أعمال ناقشناه في مقالتنا “الحالة الحالية للحوسبة الكمومية”.
كما أنها نشطة في طباعة المعادن السائلة، وهو ما ناقشناه في “طباعة المعادن السائلة قد تصبح “قوة إنتاجية” في مشهد التصنيع والتصميم”.
Honeywell هي بالفعل شركة ضخمة في قطاع الحساسات والأتمتة، وتضع أهدافًا طموحة في مجموعة واسعة من التقنيات المبتكرة.
لذا حتى إذا كانت رقائق الشم الحيوية المحاكاة قد تكون منافسًا على المدى القصير، فمن المحتمل أن تكون قادرة على التكيف والاستفادة من نمو سوق حساسات الشم، إما من خلال البحث والتطوير الخاص بها أو من خلال الاستحواذ على شركات أصغر.
