Chemiczne komputery z mikrokropel - Polacy wśród wynalazców

Polscy naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN i Instytutu Fizyki PAN, wraz z badaczami z Uniwersytetu w Jenie opracowują projekt prostego komputera chemicznego z mikrokropel, który jest w stanie przeszukiwać bazy danych. Nowa strategia polega na podzieleniu prac na dwa etapy: pierwszy polega na opracowaniu samego mikrokomputera, a dopiero w drugim uczy się go wykonywania określonych operacji.

Na czym to polega? We wnętrzu kropli, w określonych warunkach, mogą zachodzić oscylujące reakcje chemiczne. Jeśli większa liczba kropel się ze sobą styka, fale chemiczne mogą przenikać pomiędzy sąsiednimi kroplami. Odpowiednie rozmieszczenie kropel definiuje to, co dzieje się z przekazywanymi informacjami. Jednak to właśnie ten projekt kształtu był do tej pory największym problemem. Naukowcy z Warszawy i Jeny zaproponowali inną strategię – zamiast opracowywać złożone kompleksy do określonych celów najpierw stwórzmy sam układ, a później nauczmy go czegoś użytecznego.

„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.

foto: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski

Po co nam takie chemiczne komputery? Mogłyby się one przydać, na przykład, przy tworzeniu inteligentnych leków, które reagowałyby na określone czynniki wewnątrz organizmu, co z kolei pozwalałoby na aktywację środków medyczynych tylko w specyficznych sytuacjach. Najbardziej futurystyczne plany dotyczą z kolei nowoczesnych sond kosmicznych mogących samodzielnie tworzyć podzespoły z surowców znajdujących się na innych planetach.

Naukowcy przeprowadzili badania z użyciem reakcji oscylacyjnej Biełousowa-Żabotyńskiego (wideo poniżej). Działania te są powszechne w organizmach żywych – odpowiadają między innymi za formowanie zalążków kręgów kręgosłupa na etapie rozwoju zarodkowego i za skurcze mięśnia sercowego u osobników dorosłych. – „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.

W swoim eksperymentalnym projekcie naukowcy przypisali wartości do różnych częstotliwości pulsów w poszczególnych kroplach – duża częstotliwość (TRUE), mała (FALSE). Kontrolowanie pulsów (a więc głównie wprowadzanie danych) było możliwe dzięki zaobserwowanej wrażliwości reakcji zachodzących w kroplach na niebieskie światło. 

Symulacje komputerowe pozwoliły na zbadanie możliwości obliczeniowych układu mikrokropel 5x5. Krople do wprowadzania danych były odpowiednio długo naświetlane, zaś krople przetwarzające informację były „uczone” poprzez selektywne wstrzymywanie zachodzących reakcji (również za pomocą światła). Dzięki procesowi uczenia krople w układzie potrafiły przeszukać bazę danych i przekazać liczbę zgodnych rekordów. Rezultat nie był wprawdzie doskonały, ale 90-proc. skuteczność zdecydowanie jest godna uznania. Oby tak dalej!

Źródło: PAP, inf. własna