Chemiczne komputery z mikrokropel łatwiej uczyć niż projektować
Do kodowania i przetwarzania informacji można użyć różnych struktur czasowo-przestrzennych obserwowanych w układach chemicznych. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)
Naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie we współpracy z Instytutem Fizyki PAN i Uniwersytetem w Jenie opracowali koncepcję prostego komputera chemicznego z mikrokropel, zdolnego do przeszukiwania bazy danych. Symulacje komputerowe, przeprowadzone na bazie danych o nowotworach złośliwych, potwierdziły słuszność przyjętej, nowej strategii projektowania, co otwiera drogę do upowszechnienia chemicznych metod przetwarzania informacji.
W odpowiednich warunkach we wnętrzu kropli mogą zachodzić oscylujące reakcje chemiczne. Jeśli kropel jest więcej i się 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.
„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 mikropel, a dopiero potem sprawdźmy, co też może on umieć!”, mówi prof. dr hab. Jerzy Górecki (IChF PAN).
Badania nad chemicznym przetwarzaniem informacji przez układy mikrokropel, finansowane ze środków Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego, Fundacji na rzecz Nauki Polskiej i Unii Europejskiej, 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 (IChF PAN).
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 5×5. 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.
Symulowana matryca oscylujących mikrokropel klasyfikowała nowotwory opisane w bazie CANCER. Baza ta składa się z 699 rekordów, wśród których 66% odpowiadało komórkom nowotworów łagodnych. Oznacza to, że mówiąc w ciemno na widok kolejnego wpisu: „Nie przejmuj się, twój nowotwór nie jest złośliwy” mamy 66% szansy na poprawną odpowiedź.
„Nasz chemiczny komputerek odpowiadał poprawnie w ponad 90% 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. Zresztą i my, ludzie, także nie zawsze podejmujemy właściwe decyzje”, mówi prof. Górecki.
Układy mikrokropel przetwarzających informację można budować za pomocą przyrządów mikrofluidycznych. Zazwyczaj są to niewielkie płytki z przezroczystego tworzywa sztucznego, w których przez system odpowiednio zaprojektowanych kanalików płynie ciecz nośna, unosząca kropelki innych, niemieszających się z nią cieczy. W takich układach stosunkowo łatwo można wytwarzać krople różniące się rozmiarami, stężeniami substratów, a nawet samymi substratami.
„Potrafimy w kontrolowany i powtarzalny sposób rozmieszczać mikrokrople w przestrzeni, na przykład zamykając wiele kropel jednej cieczy wewnątrz kropli innej cieczy – i to tak, że wybrana kropla ma zawsze tych samych sąsiadów. Co więcej, dysponujemy także technikami, które pozwalają wpływać na szybkość wymiany substancji chemicznych przez błony stykających się kropel”, pisuje prof. dr hab. Piotr Garstecki (IChF PAN) i jako przykład podaje niedawno wykonany w jego laboratorium układ dziewięciu mikrokropel zamkniętych wewnątrz innej kropli.
Układy przetwarzające informację 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. Ciekawą perspektywą są inteligentne lekarstwa, reagujące na wiele czynników wewnątrz organizmu i uaktywniające się wyłącznie w specyficznych, ściśle ustalonych sytuacjach. Komputery chemiczne oferują jednak jeszcze więcej: teoretycznie 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.
Zaloguj się Logowanie