في عالمٍ مهووسٍ بالأمن الرقمي، حيث يحمي التشفير بياناتنا، تبقى مشكلةٌ قديمةٌ و" تناظرية " خطيرةٌ قائمة: التحقق من هوية الأشياء المادية. لا نتحدث هنا عن حقائب اليد الفاخرة فحسب، بل نتحدث أيضًا عن الرقائق الدقيقة المزيفة التي تُستخدم في أنظمة الدفاع، أو عن الغرسات الطبية المزيفة التي تُعرّض حياة البشر للخطر. إنها مشكلةٌ أمنيةٌ واقتصاديةٌ جسيمة.
إن الحلول الحالية – الأرقام التسلسلية، والرموز الشريطية، وحتى الصور المجسمة المعقدة – تعاني من خلل أساسي: إذا كان شخص ما يعرف تفاصيل التصنيع، فيمكن نسخها.
والآن، نجح فريق من العلماء في تطوير حل يبدو وكأنه من الخيال العلمي: وهو عبارة عن هيدروجيل موصل يعمل تركيبه الداخلي كبصمة جزيئية فريدة من نوعها، ومن الواضح أنه من المستحيل استنساخها .
"السحر" يكمن في الفوضى المنظمة
السر ليس في الهلام نفسه، بل في كيفية تصنيعه. باستخدام عملية تُسمى الربط التجميعي الإقليمي (RAC)، يأخذ الباحثون بوليمرين شائعين وغير مكلفين ( بولي بيرول PPy وبوليستيرين سلفونات PSS ) ويعرضونهما لمجال كهربائي أثناء عملية التكوين.
يُجبر هذا المجال البوليمرات على الانفصال إلى مناطق مجهرية، مُنشئًا شبكة ثلاثية الأبعاد عشوائية وفوضوية من آلاف "وصلات نقل الأيونات والإلكترونات". في جوهرها، تتشكل متاهة مجهرية فريدة لعينة الهلام تلك. والأمر المثير للاهتمام؟ حتى العلماء الذين ابتكروها لم يتمكنوا من إنتاج عينة أخرى مطابقة لها .
تصميم تصوري لبدائية تشفير فيزيائية غير قابلة للاستنساخ، قائمة على هيدروجيل، لأغراض المصادقة. الانتقال من الربط المتقاطع المنتظم إلى الربط المتقاطع الإقليمي (RAC) عبر هندسة الطور لبناء هيدروجيل بولي بيرول (PPy) مُشبّع بسلفونات البوليسترين (PSS)، مُشكّلاً وصلات نقل أيونية-إلكترونية. تُمكّن هذه الشبكة الطوبولوجية الفريدة من تحويل الإشارة بثلاث خطوات: تحويل البيانات الخام إلى منحنى تحدٍّ، والمعالجة عبر RAC-Gel لتشكيل منحنى استجابة غير خطي، والمصادقة على المخرجات عبر تحليل التشابه. (الصورة: أُعيد إنتاجها بإذن من دار نشر وايلي-في سي إتش)
تعمل هذه المتاهة كوظيفة غير قابلة للاستنساخ الفيزيائي ( PUF).
كيف يعمل؟ بصمة الإصبع الكهربائية
الفكرة أنيقة بشكل مدهش. للتحقق من صحة الجسم، تُرسَل نبضة كهربائية (تحدٍّ) عبر الهلام. تنتقل النبضة عبر تلك الشبكة ثلاثية الأبعاد الفريدة والفوضوية، مُنتجةً خرجًا كهربائيًا (استجابة) فريدًا من نوعه .
لقد أثبت النظام أنه ليس فريدًا فحسب، بل إنه موثوق للغاية أيضًا: فعند تكرار نفس "التحدي" ألف مرة، أنتج الهلام استجابة متطابقة تقريبًا.
لكن عندما يتعلق الأمر بالأمن، تصبح الأرقام مبهرة. فلنظام قوي، يتطلب التشفير حوالي ١٠¹⁰ (١٠ مليارات) من أزواج التحدي والاستجابة المحتملة. يُولّد هذا الهلام المائي أكثر من ١٠¹⁹ (عشرة مليارات مليار). ليس هذا فحسب:
- إنه سريع: الاستجابة الكهربائية فورية تقريبًا (تصل إلى 90% من الذروة في 13 ميلي ثانية).
- إنه مُحصّن ضد الذكاء الاصطناعي (حتى الآن): استخدم الباحثون أكثر خوارزميات التعلم الآلي تطورًا على النظام، بما في ذلك المتحولات (وهي نفس البنية التي تقوم عليها العديد من أنظمة الذكاء الاصطناعي التوليدي)، لمحاولة التنبؤ بالاستجابات. لكنهم فشلوا. الديناميكيات الداخلية للهلام غير خطية وغير متوقعة لدرجة أن أنظمة الذكاء الاصطناعي لم تتمكن من نمذجتها.
ماذا يعني هذا بالنسبة للاقتصاد والأمن
يعمل هذا الهيدروجيل كـ"بصمة" مادية للمواد. تداعياته هائلة:
- سلسلة التوريد: يمكن وضع علامات على الشرائح الدقيقة للتأكد من أنها ليست نسخًا مستنسخة أو منتجات نفايات يتم إعادة طرحها في السوق.
- الأمن الصحي: قد تحمل الغرسات الطبية والأدوية والأجهزة ختمًا جزيئيًا للأصالة.
- الإلكترونيات المرنة: يمكن دمجها في أجهزة الاستشعار القابلة للارتداء والتعبئة الذكية.
أفضل ما في الأمر، من منظور الإنتاج الصناعي، هو أن هذه التقنية لا تبدو باهظة الثمن . فالمواد المستخدمة (PPy وPSS) غير مكلفة، ويتطلب التصنيع التحكم في الجهد واستخدام الليزر، وهما تقنيتان متوفرتان على نطاق واسع.
بالطبع، لا تزال هذه التقنية في بداياتها. فمقاومتها للتآكل والتلف طويل الأمد وفي الظروف القاسية لا تزال بحاجة إلى اختبار. لكن فكرة منح كل قطعة بصمة جزيئية لا تُقهر تُضيف طبقة من الثقة مُدمجة حرفيًا في بنيتها.
ونشرت الدراسة في مجلة Advanced Materials .
الأسئلة والأجوبة
١) ما الفرق بين هذا الهيدروجيل ورمز الاستجابة السريعة (QR code) أو الهولوغرام؟ الفرق جوهري. رمز الاستجابة السريعة (QR code) أو الهولوغرام هو مُعرِّف بصري . ورغم تعقيده، يُمكن مسحه ضوئيًا ونسخه وإعادة طباعته على جسم آخر. أما الهيدروجيل، فهو مُعرِّف فيزيائي وديناميكي . لا تكمن تفرده في صورته، بل في بنيته الجزيئية ثلاثية الأبعاد الفوضوية. لا يُمكن "نسخه" أكثر من إمكانية نسخ الترتيب الدقيق للذرات في ندفة ثلج. يُوثَّق من خلال "محادثة" كهربائية (استجابة-تحدٍّ)، وليس من خلال المسح السلبي.
٢) لماذا لا يستطيع الذكاء الاصطناعي حل هذه المشكلة؟ يتفوق الذكاء الاصطناعي، وخاصةً التعلم الآلي، في اكتشاف الأنماط حتى في الأنظمة شديدة التعقيد. ومع ذلك، فإن شبكة الوصلات المُنشأة في الهيدروجيل فوضوية وغير خطية . هذا يعني أن أي تغيير طفيف في المدخلات (التحدي الكهربائي) يمكن أن يُحدث تغييرًا في المخرجات (الاستجابة) لا يتبع نمطًا متوقعًا. لا يستطيع الذكاء الاصطناعي بناء نموذج رياضي موثوق "لتخمين" الإجابة، حتى بعد تحليل آلاف الأمثلة، لأن التعقيد الفيزيائي للنظام يتجاوز قدرته الحسابية التنبؤية.
٣) متى سنرى هذه التقنية، وكم ستكلف؟ ما زلنا في مرحلة البحث المبكر (المختبري). على الرغم من أن الدراسة تُثبت صحة المفهوم ( إثبات المفهوم )، إلا أن هناك حاجة إلى مزيد من الاختبارات العملية لتقييم متانتها، واستقرارها في درجات حرارة مختلفة، ودمجها في العمليات الصناعية. والخبر السار هو أن المواد الأساسية (بوليمرات ومذيبات PPy وPSS) غير مكلفة، ولا يتطلب تصنيعها آلات متطورة. ورغم أنه من السابق لأوانه تحديد موعد إطلاقها، إلا أن جدواها الاقتصادية تبدو واعدة للإنتاج على نطاق واسع.
المقالة "الأمن، الهيدروجيل الذي يخدع الذكاء الاصطناعي ويجعل التزوير (ربما) مستحيلاً" تأتي من Scenari Economici .