БиоСтена

BioWall — это компьютерная поверхность, вдохновленная биотехнологиями, состоящая из нескольких тысяч электронных модулей, которые можно рассматривать как искусственные молекулы. Каждый из этих модулей содержит программируемую электронную схему, сенсорный датчик и дисплей, состоящий из 64 светодиодов (светодиодов). В результате каждый модуль позволяет посетителю общаться с поверхностью, касаясь ее пальцем, рассчитывать ее новый статус и немедленно отображать его на цветном дисплее.

Обзор

BioWall был разработан в Лаборатории логических систем ( LSL ) Федеральной политехнической школы Лозанны ( EPFL ), Швейцария . Его строительство спонсировало Жаклин Реж, владелица музея Вилла Реж в Сент-Круа ( ВД ). Реализованы две версии BioWall, в которых несколько тысяч ПЛИС ( Spartan XCS10XL от Xilinx ) составляют ядро такого же количества модулей, локально обменивающихся информацией с ближайшими соседями. Взаимодействие с FPGA осуществляется через сенсорную мембрану, и каждая FPGA сообщает о своем состоянии 64-цветной светодиодной матрице.

Основной целью этого академического проекта является изучение аппаратной реализации биоинспирированных концепций, таких как самовосстановление, эволюция, самовоспроизведение, обучение... по трем основным осям, определенным в модели POEtic:

Филогенетическая ось (ось P), вдохновленная эволюцией биологических видов.
Онтогенетическая ось (ось О), вдохновленная развитием и ростом многоклеточных организмов.
Эпигенетическая ось (ось E), основанная на адаптации людей к окружающей среде.

Среди этих трех направлений исследований основные усилия LSL были сосредоточены на онтогенетической оси в рамках проекта «Эмбрионика», целью которого является черпать вдохновение из развития многоклеточных живых организмов, чтобы получить с помощью цифрового оборудования некоторые из их оригинальных особенностей, и особенно рост и отказоустойчивость.

Биовотч

искусственный организм, наделенный всеми характеристиками эмбриональной машины В BioWall реализован . BioWatch, который считает часы, минуты и секунды, используется для демонстрации возможностей роста и самовосстановления BioWall.

В соответствии с тремя уровнями сложности, определенными в проекте «Эмбрионика» , BioWatch были спроектированы иерархически: все часы можно рассматривать как организм, состоящий из шести клеток, каждая из которых предназначена для расчета одной цифры: единиц и десятков секунд. , минуты и часы. Каждая из этих клеток сама разлагается на более мелкие идентичные единицы, то есть модули Биостены, которые можно рассматривать как основные молекулы в реальном организме.

Самовосстановление возможно путем включения в состав BioWatch запасных молекул; когда FPGA, то есть молекула, выходит из строя, одна из запасных молекул может взять на себя ее функциональность и позволяет BioWatch по-прежнему отображать правильное время. Когда целая клетка, насчитывающая определенную цифру, переполняется дефектными молекулами, она умирает, но резервное пространство автоматически конфигурируется так, чтобы взять на себя функциональность мертвой клетки и воспроизвести ее. В результате полноценные часы способны выдерживать большое количество сбоев внутри своего оборудования и, тем не менее, могут показывать правильное время.

Другие приложения

BioWall состоит из множества небольших, локально связанных элементов и, как следствие, является идеальной платформой для создания прототипов множества различных видов двумерных клеточных систем и биосистем, таких как:

Конвея Игра жизни ( >>> )
Самовоспроизводящиеся циклы ( >>> )
Тьюринга Искусственные нейронные сети ( >>> )
фон Неймана Универсальный конструктор ( >>> )
Вольфрама Клеточные автоматы ( >>> )
Клеточный автомат расстрельного отряда ( >>> )
Сравнение последовательностей ДНК ( >>> )

Хотя размер и структура BioWall накладывают ряд ограничений (например, тактовая частота системы), ее полная программируемость обеспечивает выдающуюся универсальность, а визуальный и интерактивный компонент системы являются бесценными инструментами как для распространения идей, так и для проверки. исследовательских концепций, которые часто ограничиваются программным моделированием.

BioWall с 2000 молекулами сейчас находится в Группе интеллектуальных систем факультета электроники Йоркского университета (Великобритания). Еще одна биостена с 2000 молекулами находится на постоянной выставке Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL), и ее работу можно увидеть в прямом эфире с помощью следующей веб-камеры с понедельника по пятницу с 8:00 до 19:00 по Гринвичу +1.

Библиография

Г. Темпести и К. Тойшер. «Биология становится цифровой: массив из 5700 спартанских FPGA оживляет BioWall» . XCell Journal 47, осень 2003 г., стр. 40–45.
К. Тойшер, Д. Манге, А. Штауффер и Г. Темпести. «Биологические вычислительные ткани: на пути к машинам, которые развиваются, растут и обучаются» . БиоСистемы 68 (2–3), 2003, стр. 235–244.
Г. Темпести, Д. Манге, А. Штауффер и К. Тойшер. «Биостена: электронная ткань для прототипирования биосистем» . В редакторах А. Стойки, Дж. Лона, Р. Каца, Д. Кеймелена и Р. С. Зебулума. Материалы конференции НАСА/Министерства обороны 2002 г. по развивающемуся аппаратному обеспечению (EH'2002), страницы 221–230, Компьютерное общество IEEE, Лос-Аламитос, Калифорния.
А. Стауффер, Д. Манге, Г. Темпести и К. Тойшер. «Самовосстанавливающиеся и самовосстанавливающиеся электронные часы: BioWatch» . Редакторы: Ю. Лю, К. Танака, М. Ивата, Т. Хигучи и М. Ясунага. Развивающиеся системы: от биологии к аппаратному обеспечению. Материалы 4-й Международной конференции по эволюционирующим системам (ICES'2001), 3–5 октября 2001 г., Токио. Конспекты лекций по информатике, Vol. 2210, Springer-Verlag, Берлин, Гейдельберг, 2001, страницы 112–127.
А. Стауффер, Д. Манге, Г. Темпести и К. Тойшер. «BioWatch: гигантские электронные часы, вдохновленные биотехнологиями» . В редакторах Д. Кеймелена, А. Стойки, Дж. Лона и Р. Зебулума. Материалы третьего семинара НАСА/Министерства обороны по развивающемуся оборудованию (EH-2001), страницы 185–192, Компьютерное общество IEEE, Лос-Аламитос, Калифорния.
М. Канелла, Ф. Мильоли, А. Больоло, Э. Петральо, Э. Санчес. «Выполнение сравнения ДНК на биоткани из FPGA». В Proc. 10-й семинар по реконфигурируемой архитектуре (RAW03), Ницца, Франция, апрель 2003 г., стр. 7

Внешние ссылки