علم الأحياء الالكترونية

وهكذا ، فإن الإلكترونيات الحيوية متميزة عن الهندسة الحيوية (أو التكنولوجيا الحيوية) ، وهي استخدام الكائنات الحية لأداء مهام صناعية معينة ، مثل ثقافة الخمائر على النفط لتزويد البروتينات الغذائية ، واستخدام الكائنات الدقيقة القادرة على تركيز المعادن من خامات منخفضة الجودة. ، وهضم النفايات عن طريق البكتيريا في البطاريات البيوكيميائية لتزويد الطاقة الكهربائية.

تقليد الطبيعة فكرة قديمة. قام العديد من المخترعين بصناعة آلات بعد الحيوانات على مر القرون. النسخ من الطبيعة له مميزات متميزة. معظم الكائنات الحية على الأرض هي نتاج ملياري سنة من التطور ، ويمكن لبناء الآلات للعمل في بيئة تشبه الكائنات الحية أن يستفيد من هذه التجربة الهائلة. على الرغم من أن أسهل طريقة يمكن اعتبارها تقليدًا مباشرًا للطبيعة ، إلا أن هذا غالبًا ما يكون صعبًا إن لم يكن مستحيلاً ، من بين أسباب أخرى بسبب الاختلاف في الحجم. وجد باحثو Bionics أنه من الأفضل فهم مبادئ لماذا تعمل الأشياء في الطبيعة بدلاً من فهم التفاصيل بنعومة.

الخطوة التالية هي البحث المعمم عن الإلهام من الطبيعة. يمكن دراسة الكائنات الحية من عدة وجهات نظر. العضلات الحيوانية هي محرك ميكانيكي فعال. يتم تخزين الطاقة الشمسية في شكل كيميائي من قبل النباتات مع كفاءة ما يقرب من 100 في المئة. نقل المعلومات داخل الجهاز العصبي أكثر تعقيدا من أكبر التبادلات الهاتفية ؛ حل المشكلات من قبل دماغ بشري يفوق قدرة الحواسيب العملاقة الأقوى بكثير. تمثل هذه الأمثلة المجالين الرئيسيين للبحث في الإلكترونيات الحيوية – معالجة المعلومات وتحويل الطاقة وتخزينها.

النمط العام لشبكة المعلومات للكائنات الحية هو ما يلي: يتم تلقي الأحاسيس البيئية من قبل أجهزة المعنى ومن ثم ترميزها إلى الإشارات التي تنتقل عن طريق الأعصاب إلى مراكز معالجة وحفظ الدماغ. الأفاعي الحفرة للأسرة الفرعية Crotalinae (التي تتضمن الأفعى الجرسية) ، على سبيل المثال ، لديها آلية استشعار للحرارة تقع في حفرة بين الخياشيم والعيون. هذا العضو حساس للغاية لدرجة أنه يمكنه الكشف عن فأر على مسافة أمتار قليلة. على الرغم من وجود أجهزة كشف أشعة تحت حمراء أكثر حساسية من صنع الإنسان ، إلا أن الإلكترونيات الحيوية لا تزال تستفيد من دراسة الأفاعي. أولاً ، سيكون من المثير للاهتمام والقيمة المحتملة لفهم مبدأ تحويل الطاقة الذي يحدث في حفرة الأشعة تحت الحمراء ، وكذلك العملية التي يتم بها تحفيز الأعصاب في غياب آلية التضخيم. مثال آخر ملفت للنظر هو جهاز الاستشعار عن رائحة فراشة الحرير ، Bombyx موري. يستطيع الذكر اكتشاف المادة الكيميائية التي تفرزها الأنثى بكمية صغيرة مثل عدد قليل من الجزيئات.

في موصل مثل سلك الهاتف ، تضعف الإشارة أثناء انتقالها عبر السلك ، ويجب وضع مكبرات الصوت على فترات لتعزيزها. هذا ليس هو الحال بالنسبة للأعصاب الحيوانية محور عصبي: الدافع العصبي الصادر من أجهزة الإحساس لا يضعف في السفر على طول محور عصبي. يمكن لهذا الدافع السفر في اتجاه واحد فقط. هذه الخصائص تجعل العصب المحوري قادر على العمليات المنطقية. في عام 1960 ، أطلق جهاز أشباه الموصلات عليه اسم تم إنشاء جهاز عصبي ، قادر على نشر إشارة في اتجاه واحد دون توهين وقادر على إجراء عمليات عددية ومنطقية. يقوم الكمبيوتر العصبي ، المستوحى من نموذج طبيعي ، بتقليد السلوك الدينامي لشبكات المعلومات العصبية الطبيعية. كل دائرة يمكن أن تخدم بالتتابع لعمليات مختلفة بطريقة مماثلة لتلك الخاصة بالجهاز العصبي.

ومن المسائل الأخرى التي تهم علماء الإلكترونيات كيفية استخدام النظام الحي للمعلومات. في الظروف المتغيرة ، يقوم البشر بتقييم مسارات العمل البديلة. كل حالة تشبه إلى حد ما حالة من قبل. “التعرف على الأنماط” ، وهو عنصر مهم في العمل الإنساني ، له آثار على علم الإلكترونيات. إحدى الطرق لتصميم آلة اصطناعية قادرة على التعرف على الأنماط هي استخدام عمليات التعلم. تم تطوير إصدارات تجريبية من هذه الآلة ؛ يتعلمون من خلال إنشاء وتعديل الروابط بين عدد كبير من الطرق البديلة الممكنة في شبكة من المسارات. هذا التعلم ، ومع ذلك ، لا يزال بدائي وبعيدا عن البشر.

يكمن الفرق الأساسي الأول بين الحواسيب الإلكترونية الموجودة والدماغ البشري في طريقة تنظيم ذكرياتها. في أي منهما ذكرى كائن حي أو جهاز ما ، تكمن المشكلة الرئيسية في استرجاع المعلومات بمجرد تخزينها. طريقة استخدام أجهزة الكمبيوتر يسمى “عنونة” يمكن مقارنة ذاكرة الكمبيوتر مع رف كبير من pigeonholes ، لكل منها رقم أو عنوان معين (الموقع). من الممكن العثور على قطعة معينة من المعلومات إذا كان العنوان – أي رقم الباقة – معروفًا. تعمل الذاكرة البشرية بطريقة مختلفة للغاية ، باستخدام اقتران البيانات. يتم استرداد المعلومات وفقًا لمحتواه ، وليس وفقًا لعنوان خارجي مضاف بشكل مصطنع. هذا الفرق هو نوعي وكمي. يتم الآن إنشاء أجهزة ذاكرة من صنع الإنسان باستخدام مبادئ ارتباطية ، وهناك إمكانية كبيرة في هذا المجال.

والفرق الرئيسي الثاني بين الحواسيب الإلكترونية والدماغ البشري يكمن في طريقة التعامل مع المعلومات. جهاز كمبيوتر يعالج البيانات الدقيقة. يقبل البشر البيانات الضبابية ويجرون عمليات ليست صارمة تمامًا. كذلك ، تقوم أجهزة الكمبيوتر بإجراء عمليات بسيطة للغاية ، مما يؤدي إلى نتائج معقدة عن طريق إجراء عدد كبير من هذه العمليات البسيطة بسرعة عالية جدًا. في المقابل ، يقوم الدماغ البشري بسرعة منخفضة ولكن بالتوازي وليس بالتسلسل ، مما ينتج عنه عدة نتائج متزامنة يمكن مقارنتها (أنظر أيضا الذكاء الاصطناعي).

في عالم الأحياء ، يتم تخزين الطاقة على شكل مركبات كيميائية ؛ دائمًا ما يكون استخدامه مصحوبًا بتفاعلات كيميائية. يتم تخزين الطاقة الشمسية من قبل النباتات عن طريق العمليات الكيميائية المعقدة. تستمد طاقة الحركة العضلية من التغيرات الكيميائية. إن الضوء الذي تنتجه الكائنات الحية مثل الفطر ، الديدان المتوهجة ، وبعض الأسماك له أصل كيميائي. في كل حالة ، يكون تحويل الطاقة فعالا بشكل ملحوظ مقارنة بالمحركات الحرارية.

يتم البدء في فهم كيفية حدوث هذه التحولات في المواد الحية وطبيعة الدور المعقد الذي تلعبه الأغشية الحية. ربما يمكن التغلب على بعض القيود على التعقيد الجزيئي والهشاشة في آلات صنع الطاقة الاصطناعية من صنع الإنسان وتحقيق نتائج أفضل من الأغشية الطبيعية.