Химический компьютер
, Химический компьютер также называемый реакционно-диффузионным компьютером , Белоусова-Жаботинского ( БЗ ) компьютером или компьютером gooware , представляет собой нетрадиционный компьютер, основанный на полутвердом химическом «супе», где данные представлены различными концентрациями химических веществ. [1] Вычисления выполняются с помощью естественных химических реакций .
Фон
[ редактировать ]Первоначально химические реакции рассматривались как простое движение к устойчивому равновесию, которое не было многообещающим для вычислений. Ситуация изменилась благодаря открытию учёным Борисом Белоусовым , сделанному советским в 1950-х годах. Он создал химическую реакцию между различными солями и кислотами, которые колеблются между желтым и прозрачным цветом, потому что концентрация различных компонентов циклически меняется вверх и вниз. В то время это считалось невозможным, потому что казалось, что это противоречит второму закону термодинамики , который гласит, что в закрытой системе энтропия со временем будет только увеличиваться, заставляя компоненты смеси распределяться до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие, и создавая любые изменение концентрации невозможно. Но современный теоретический анализ показывает, что достаточно сложные реакции действительно могут включать волновые явления, не нарушая при этом законов природы. [1] [2] (Убедительная непосредственно видимая демонстрация была достигнута Анатолием Жаботинским с помощью реакции Белоусова-Жаботинского, показывающей спиралевидные цветные волны.)
Волновые свойства реакции БЗ означают, что она может перемещать информацию так же, как и все другие волны. При этом по-прежнему не требуется вычислений, выполняемых обычными микрочипами с использованием двоичного кода, передающего и меняющего единицы и нули через сложную систему логических элементов . Для выполнения любых мыслимых вычислений достаточно иметь вентили И-НЕ . (Вход NAND имеет два бита на входе. Его выход равен 0, если оба бита равны 1, в противном случае — 1). В версии химического компьютера логические элементы реализованы с помощью волн концентрации, блокирующих или усиливающих друг друга различными способами.
Текущие исследования
[ редактировать ]В 1989 году было продемонстрировано, как светочувствительные химические реакции могут выполнять обработку изображений . [3] Это привело к подъему в области химических вычислений. Эндрю Адамацки из Университета Западной Англии продемонстрировал простые логические элементы, используя реакции-диффузии . процессы [4] Более того, он теоретически показал, как гипотетическое «2 + среда», смоделированная как клеточный автомат, может выполнять вычисления. [5] Адамацкого вдохновила теоретическая статья о вычислениях с использованием шаров на бильярдном столе, чтобы перенести этот принцип в BZ-химикаты и заменить бильярдные шары волнами: если в растворе встречаются две волны, они создают третью волну, которая регистрируется как 1.
Одной из проблем нынешней версии этой технологии является скорость волн; они распространяются всего лишь со скоростью несколько миллиметров в минуту. По мнению Адамацкого, эту проблему можно решить, разместив ворота очень близко друг к другу, чтобы обеспечить быструю передачу сигналов. Другой возможностью могут быть новые химические реакции, в которых волны распространяются гораздо быстрее.
В 2014 году система химических вычислений была разработана международной командой во главе со Швейцарскими федеральными лабораториями материаловедения и технологий (Empa). Химический компьютер использовал расчеты поверхностного натяжения, полученные на основе эффекта Марангони с использованием кислотного геля, чтобы найти наиболее эффективный маршрут между точками A и B, опередив традиционную спутниковую навигационную систему, пытающуюся рассчитать тот же маршрут. [6] [7]
В 2015 году аспиранты Стэнфордского университета создали компьютер, использующий магнитные поля и капли воды, наполненные магнитными наночастицами , иллюстрируя некоторые основные принципы химического компьютера. [8] [9]
В 2015 году студенты Вашингтонского университета создали язык программирования химических реакций (первоначально разработанный для анализа ДНК ). [10] [11]
В 2017 году исследователи Гарвардского университета запатентовали химическую машину Тьюринга, работающую на основе нелинейной динамики реакции Белоусова-Жаботинского . [12] Система, которую они разработали, способна распознавать язык Хомского типа 1, используя соображения свободной энергии Гиббса . Впоследствии эта работа была опубликована в 2019 году, включая системы для языков Хомского типа 2 и типа 3. [13]
В 2020 году исследователи из Университета Глазго создали химический компьютер с использованием 3D-печатных деталей и магнитных мешалок для управления колебаниями среды BZ. При этом они смогли вычислять двоичные логические элементы и выполнять распознавание образов. [14]
См. также
[ редактировать ]- Молекулярный логический вентиль
- Компьютер
- Квантовые вычисления
- ДНК-вычисления
- Биокомпьютинг
- Органические вычисления
- Гидравлика
- Водный интегратор
- История вычислительной техники
- ТОП500
- Биохимия
- Гидродинамика
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Кумар, Амбар; Махато, Акаш Кумар; Сингх, Акашдип (2014). «Химические вычисления: другой способ вычислений» (PDF) . Международный журнал инновационных исследований в области технологий . 1 (6). ISSN 2349-6002 . Архивировано из оригинала (PDF) 15 июня 2015 г. Проверено 14 июня 2015 г.
- ^ «Закон Мура вот-вот станет странным» . Наутилус .
- ^ Л. Кунерт; К.И. Агладзе; В.И. Кринский (1989). «Обработка изображений светочувствительными химическими волнами». Природа . 337 (6204): 244–247. Бибкод : 1989Natur.337..244K . дои : 10.1038/337244a0 . S2CID 4257968 .
- ^ Адамацкий, Эндрю; Де Лейси Костелло, Бенджамин (2002). «Экспериментальные логические вентили в реакционно-диффузионной среде: вентиль XOR и за его пределами». Физический обзор E . 66 (4): 046112. Бибкод : 2002PhRvE..66d6112A . дои : 10.1103/PhysRevE.66.046112 . ПМИД 12443264 .
- ^ Андрей Адамацкий (1997). «Информационные возможности химических реакционно-диффузионных систем. 1. Среды Белоусова-Жаботинского в гидрогелевых матрицах и на твердых носителях». Перспективные материалы для оптики и электроники . 7 (5): 263–272. doi : 10.1002/(SICI)1099-0712(199709)7:5<263::AID-AMO317>3.0.CO;2-Y .
- ^ «Химический GPS превосходит спутниковую навигационную систему> ENGINEERING.com» . Engineering.com .
- ^ «Эмпа изобретает химический компьютер быстрее, чем спутниковую навигацию» . gizmag.com . 28 октября 2014 г.
- ^ «Стэнфорд создал водокапельный компьютер — ExtremeTech» . ЭкстримТех .
- ^ «Эти компьютерные часы используют капли воды, одновременно манипулируя информацией и материей» . ЗМЭ Наука . 10 июня 2015 г.
- ^ Тейлор Сопер (30 сентября 2013 г.). «Химический компьютер: исследователи разрабатывают язык программирования для управления молекулами ДНК» . GeekWire .
- ^ «Инженеры UW изобретают язык программирования для создания синтетической ДНК» . Вашингтон.edu .
- ^ США 9 582 771
- ^ Дуэньяс-Диес М., Перес-Меркадер Х (2019). «Как вычисляет химия: распознавание языка небиохимическими химическими автоматами. От конечных автоматов к машинам Тьюринга» . iScience . 19 : 514–526. Бибкод : 2019iSci...19..514D . дои : 10.1016/j.isci.2019.08.007 . ПМК 6710637 . ПМИД 31442667 .
- ^ Парилья-Гутьеррес, Хуан Мануэль; Шарма, Абхишек; Цуда, Соитиро; Купер, Джеффри Дж.Т.; Арагон-Камараса, Херардо; Донкерс, Кевин; Кронин, Лерой (2020). «Программируемый химический компьютер с памятью и распознаванием образов» . Природные коммуникации . 11 (1): 1442. Бибкод : 2020NatCo..11.1442P . дои : 10.1038/s41467-020-15190-3 . ПМК 7080730 . ПМИД 32188858 .
- «Представляем компьютер-гупер» — статья Дункана Грэма-Роу в New Scientist (доступ ограничен)
- [1]