Polacy zbudowali komputer z... kropel

Koncepcję prostego komputera chemicznego z mikrokropel, zdolnego do przeszukiwania bazy danych, opracowali badacze m.in. z Polski. Ich nowa strategia projektowania zakłada, że warto najpierw zaprojektować taki mikrokomputer, a potem uczyć go wykonywania konkretnych obliczeń.

W pewnych warunkach we wnętrzu kropli mogą zachodzić oscylujące reakcje chemiczne. Jeśli kropel jest więcej i się ze sobą stykają, powstające fale chemiczne są w stanie przeniknąć do sąsiednich kropel i rozchodzą się w całym kompleksie. Zjawisko jest znane, próbuje się je używać m.in. do chemicznego przetwarzania informacji. To, co dzieje się z informacją w układzie wielu kropel, ściśle zależy m.in. od ich rozmieszczenia względem siebie. Dotychczas nie bardzo było wiadomo, jak projektować kształt kompleksów mikrokropel, by te realizowały konkretne zadania. W Instytucie Chemii Fizycznej PAN (IChF PAN) w Warszawie zaproponowano więc nowatorską strategię działania. Zamiast mozolnie projektować złożone układy mikrokropel do określonego celu, lepiej najpierw wyprodukować układ, a potem spróbować nauczyć go czegoś użytecznego.

Lek z chemicznym włącznikiem

Chemiczne komputery mogłyby się przydać np. w tworzeniu inteligentnych leków reagujących na wiele czynników wewnątrz organizmu i uaktywniających się wyłącznie w specyficznych, ściśle ustalonych sytuacjach. Komputery chemiczne - w teorii - mogłyby powstawać z wykorzystaniem zjawiska samoorganizacji. Możliwość ta pozwala myśleć m.in. o futurystycznych sondach kosmicznych, zdolnych samodzielnie budować swoje kluczowe podzespoły z surowców dostępnych na innych planetach.

Badania naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie, z Instytutu Fizyki PAN i z Uniwersytetu w Jenie ukazały się w czasopiśmie "Philosophical Transactions of the Royal Society A". Ich praca otwiera drogę do upowszechnienia chemicznych metod przetwarzania informacji - poinformowali w przesłanym PAP komunikacie przedstawiciele IChF PAN.

Do czego to się przyda? Jutro się nad tym zastanowię!

- Przyjęliśmy strategię z wielką efektywnością stosowaną przez naturę. Spójrzmy choćby na siebie. Przecież nasz mózg nie wyewoluował po to, żeby np. rozpoznawać litery! Najpierw powstał, dopiero potem nauczył się czytać i pisać. Dlaczego w podobny sposób nie podejść do złożonych układów mikrokropel, skoro wiemy, że też przetwarzają informację? Nasza propozycja jest więc następująca: najpierw wyprodukujmy układ chemicznie oddziałujących mikrokropel, a dopiero potem sprawdźmy, co też może on umieć! - mówi prof. Jerzy Górecki z IChF PAN.

Skomplikowany początek

Badania nad chemicznym przetwarzaniem informacji przez układy mikrokropel przeprowadzono z użyciem reakcji oscylacyjnej Biełousowa-Żabotyńskiego.

Gdy odpowiednio dobierze się warunki tej reakcji, w reagującym roztworze pojawia się front chemiczny, wędrujący w przestrzeni. Reakcje oscylacyjne są powszechne w organizmach żywych. U ludzi na etapie rozwoju zarodkowego formują zalążki kręgów kręgosłupa, u dorosłych odpowiadają m.in. za skurcze mięśnia sercowego.

- W przypadku reakcji Biełousowa-Żabotyńskiego przejściu frontu chemicznego towarzyszą zmiany stężeń jonów prowadzące do zmiany koloru roztworu. Gdy reakcja zachodzi wewnątrz kropli, pod mikroskopem widać w niej wyraźne, rozchodzące się na wszystkie strony pulsy. Im większa kropla, tym częściej pulsuje - wyjaśnia doktorant Konrad Giżyński z IChF PAN.

Chemia obliczona na sukces

Chemiczne pulsy w układzie stykających się kropel rozchodzą się w nim bardzo podobnie jak pobudzenia elektryczne we włóknach nerwowych. Naukowcy z IChF PAN użyli częstotliwości pulsów w poszczególnych kroplach do kodowania informacji: duża częstotliwość odpowiadała wartości TRUE, mała - wartości FALSE. W celu kontrolowania pulsów, a więc m.in. do wprowadzania danych, wykorzystano wrażliwość reakcji zachodzących w kroplach na niebieskie światło: w oświetlonych nim kroplach reakcje całkowicie zamierają.

Za pomocą symulacji komputerowych zbadano możliwości obliczeniowe płaskiej matrycy stykających się mikrokropel ułożonych w kwadrat 5x5. W obrębie matrycy wyróżniono krople do wprowadzania danych oraz krople przetwarzające informację. Dane wprowadzano symulując odpowiednio długie naświetlanie kropel wejściowych. Uczenie polegało na selektywnym wstrzymywaniu reakcji zachodzących w kroplach (w rzeczywistym układzie wstrzymywanie także odbywałoby się za pomocą światła). Za podającą odpowiedź naukowcy uznawali tę kroplę, której oscylacje najlepiej zgadzały się z poprawną odpowiedzią. Celem procesu uczenia było takie dobranie czasów oświetlenia wszystkich kropli w układzie, aby otrzymać największą liczbę dobrych odpowiedzi dla wszystkich rekordów w bazie.

Czy to łagodny rak? Nie czy tak?

Symulowana matryca oscylujących mikrokropel klasyfikowała nowotwory opisane w bazie CANCER. Baza ta składa się z 699 rekordów, wśród których 66 proc. odpowiadało komórkom nowotworów łagodnych. - Nasz chemiczny komputerek odpowiadał poprawnie w ponad 90 proc. przypadków. To bardzo dobry wynik, dowodzący skuteczności przyjętej przez nas strategii. Nie jest całkowicie jednoznaczny, ale nawet komputer klasyczny nie musi dać właściwej odpowiedzi dla przypadków spoza bazy - mówi prof. Górecki.

Układy przetwarzające informacje chemicznie nie zastąpią elektroniki użytkowej - są zbyt wolne. Do ich ważnych zalet należy jednak zdolność do równoległego przetwarzania informacji oraz potencjalna możliwość pracy w ekstremalnych środowiskach, np. o znacznym ciśnieniu i/lub wysokiej temperaturze, czyli tam, gdzie zawodzi współczesna elektronika.

PAP - Nauka w Polsce