Ученые из Института физической химии Польской академии наук в Варшаве в сотрудничестве с Институтом физики ПАН и Йенским университетом разработали концепцию простого химического компьютера из микрокапель, способного искать базы данных. Компьютерное моделирование, проведенное на базе данных злокачественных опухолей, подтвердило правильность принятой новой стратегии проектирования, открывающей путь к популяризации химических методов обработки информации.
При соответствующих условиях внутри капли могут происходить колебательные химические реакции. Если капель больше одной и они соприкасаются друг с другом, возникающие химические волны способны проникать в соседние капли и рассеиваться по всему комплексу. Это явление хорошо известно, и его пытаются использовать, в том числе, для химической обработки данных. Распространение информации через систему многих капель зависит от их геометрического расположения. До сих пор мало что было известно о том, как разработать форму комплексов микрокапель, чтобы они могли выполнять определенные задачи. Так, в Институте физической химии Польской академии наук (IPC PAS) в Варшаве, Польша, была предложена новая стратегия. Вместо того, чтобы кропотливо проектировать сложные системы микрокапель для конкретной цели, лучше сначала произвести систему, а потом пытаться научить ее чему-то полезному.
Мы приняли стратегию, которую природа использует с большой эффективностью. Давайте просто посмотрим на себя. Ведь наш мозг эволюционирует не для того, например, чтобы распознавать буквы! Сначала возникает мозг, и только потом он учится читать и писать. Почему бы не подойти к сложным системам микрокапель аналогичным образом, поскольку мы знаем, что они также обрабатывают информацию? Поэтому наше предложение таково: сначала давайте создадим систему из химически взаимодействующих микрокапель, а затем проверим, чему она может научиться», - говорит проф. Ежи Гурецкий (IPC PAS).
Исследования химической обработки информации микрокапельными системами, финансируемые Министерством науки и высшего образования Польши, Фондом польской науки и Европейским союзом, проводились с использованием колебательной реакции Белоусова-Жаботинского. При соответствующем подборе условий этой реакции возникает блуждающий в пространстве химический фронт. Колебательные реакции широко распространены в живых организмах. У человека на стадии эмбрионального развития они образуют зачатки позвоночных позвонков; у взрослых они отвечают, среди прочего, за сокращения сердечной мышцы.
В реакции Белоусова-Жаботинского прохождение химического фронта сопровождается изменением концентрации ионов, приводящим к изменению окраски раствора. Когда реакция протекает внутри капли, под микроскопом внутри нее можно увидеть четкие импульсы, расходящиеся во все стороны. Чем крупнее капля, тем чаще она пульсирует», - объясняет аспирант Конрад Гийски (IPC PAS).
Химические импульсы в комплексах близлежащих капель распространяются так же, как электрическая стимуляция в нервных волокнах. Исследователи из ИПЦ ПАН использовали частоты импульсов в отдельных каплях для кодирования информации: высокая частота соответствовала ИСТИННОМУ, низкая - ЛОЖНОМУ. Для управления импульсами, а значит, в том числе и для ввода данных, использовалась чувствительность реакций, протекающих в каплях, к синему свету: в каплях, освещенных этим, реакции полностью затухают.
Компьютерное моделирование использовалось для изучения вычислительных возможностей плоского массива смежных микрокапель, расположенных в квадрате 5x5. Внутри массива были выделены капли для ввода данных и капли для обработки информации. Данные были введены путем имитации достаточно длительного воздействия вводимых капель. Обучение происходило путем избирательного прерывания реакций, происходящих в каплях (в реальной системе прерывание также производилось бы светом). Исследователи приняли за каплю, колебания которой лучше всего соответствовали правильному ответу, каплю, дающую ответ. Цель процесса обучения состояла в том, чтобы подобрать время засветки всех капель в системе таким образом, чтобы получить наибольшее количество правильных ответов для всех записей в базе данных.
Смоделированный массив колеблющихся микрокапель классифицировал опухоли, которые были в базе данных CANCER. Эта база данных состоит из 699 записей, из которых 66% соответствуют доброкачественным опухолевым клеткам. Это означает, что, увидев следующую запись, если мы случайным образом скажем «Не волнуйтесь, ваша опухоль не злокачественная», у нас есть 66% шансов дать правильный ответ.
Наш маленький химический компьютер ответил правильно более чем в 90% случаев. Это очень хороший результат, доказывающий эффективность принятой нами стратегии. Это не совсем однозначно, но даже классический компьютер не обязан давать правильный ответ на случаи вне базы данных. В любом случае, мы, люди, тоже не всегда принимаем правильные решения», - говорит профессор Горецки.
Микрокапельные системы обработки информации могут быть построены с использованием микрожидкостных устройств. Обычно это небольшие пластины из прозрачного пластика, в которых жидкость-носитель течет по системе соответствующим образом устроенных каналов, несущих капли других жидкостей, не смешивающихся с носителем. В таких системах относительно легко получить капли разных размеров, концентраций субстрата или даже сами субстраты.
Мы можем контролируемым и воспроизводимым образом расположить микрокапли в пространстве, например, заключая множество капель одной жидкости в каплю другой жидкости - и таким образом, чтобы выбранная капля всегда имеет таких же соседей. Более того, у нас также есть методы, которые позволяют нам влиять на скорость химического обмена через мембраны соседних капель», - описывает профессор Петр Гарстецки (IPC PAS) и приводит пример расположения девяти микрокапель внутри другой капли., недавно построенный в его лаборатории.
Системы, обрабатывающие информацию химически, не могут заменить бытовую электронику - они слишком медленные. Однако их важными преимуществами являются возможность параллельной обработки информации и потенциальная возможность работы в экстремальных условиях, например, в экстремальных условиях. при значительных давлениях и/или высоких температурах, где современная электроника дает сбой. Интересную перспективу представляют интеллектуальные лекарства, реагирующие на множество факторов внутри организма и активирующиеся только при определенных, строго определенных обстоятельствах. Но химические компьютеры могут предложить еще больше: теоретически они могли бы возникнуть, используя явление самоорганизации. Эта возможность позволяет нам думать, среди прочего, о футуристических космических зондах, способных самостоятельно создавать ключевые компоненты из материалов, доступных на других планетах.
См. химические импульсы, рассеивающиеся в системе соприкасающихся микрокапель. Всего через дюжину или около того импульсов самая большая капля начинает доминировать над остальными на странице https://www.youtube.com/embed/I0sBISsZX-w. (Источник: IPC PAS)