Новости

Jun 23, 2023

Пневматический компьютер использует давление вместо электричества

Компьютерный чип из стекла и силикона удерживает жидкости, движущиеся с одной стороны.

Компьютерный чип из стекла и силикона удерживает жидкости, которые перемещаются с одной стороны чипа на другую в ответ на изменения давления. Это использовалось для контроля и автоматизации миниатюрных биохимических экспериментов.

Кармела Падавик-Каллаган

2 июня 2023 г.

Компьютерный чип из стекла и силикона с каналами для жидкости.

Лаборатория Хуэй в Калифорнийском университете в Ирвине

Пневматический компьютер из стекла и силикона для кодирования данных использует давление вместо электричества. Это может позволить устройству размером с чип выполнять процедуры, которые обычно выполняются техническими специалистами в лабораториях.

Устройства «лаборатория на чипе» на протяжении десятилетий рассматривались как меньшие по размеру, более дешевые и портативные альтернативы рутинному биохимическому выполнению вручную с использованием громоздкой стеклянной посуды. Хотя некоторые биохимические эксперименты были миниатюризированы, включая выращивание клеточных культур и крошечных органов, для большинства этих устройств требуется гораздо больше оборудования, чем просто чип.

«Вы можете держать чип в руке, и все будет происходить на этом чипе, но если вы уменьшите масштаб, вы увидите коробку размером с холодильник, которая управляет им. Это не совсем лаборатория на чипе», говорит Эллиот Хуэй из Калифорнийского университета в Ирвайне. Он и его коллеги решили заменить эту огромную коробку крошечным компьютером, который не требует электричества и помещается в каждую лабораторию на чипе.

Реклама

Читать далее:

Крошечный чип может быстро идентифицировать сотни тысяч последовательностей ДНК

Они зажали лист силикона толщиной 0,25 миллиметра между двумя тонкими стеклами. Они протравили в стекле крошечные каналы, чтобы жидкости, необходимые для химических реакций, могли течь через них, а затем пробили небольшие отверстия в силиконовом слое, чтобы соединить каналы между двумя стеклами.

Разница в давлении проталкивала жидкости через каналы, что имитирует то, как изменения напряжения заставляют электричество течь по проводам в электронных компьютерных чипах. Они обозначили низкое вакуумное давление как «1», а атмосферное давление как «0» и добавили крошечные клапаны, которые могут менять местами эти два значения. Это превратило чип в пневматический компьютер.

Подпишитесь на нашу еженедельную рассылку

Получайте еженедельную дозу открытий на свой почтовый ящик.

Для кодирования программ они использовали различные силиконовые листы в качестве «перфокарт», а для ввода данных нашли простой способ изменения давления — прикасались пальцами к обозначенным точкам.

Самый сложный чип, созданный командой, содержал четыре бита информации и выполнял процедуру, называемую серийным разбавлением, которая определяет концентрацию химического вещества, растворенного в жидкости. Обычно исследователь неоднократно перекачивал жидкость из одного стеклянного цилиндра в другой, но чип делал это автономно и в миниатюре, следуя заранее запрограммированным шагам. Хуэй говорит, что с добавлением пневматического компьютерного чипа так называемые микрофлюидные устройства, которые мы уже используем, например, домашние тесты на Covid-19, смогут определять не только наличие вируса, но и его концентрацию.

Уильям Гровер из Калифорнийского университета в Риверсайде говорит, что автоматизация чипов без какой-либо внешней электроники невероятно полезна. «Этот подход может снизить стоимость некоторых микрофлюидных инструментов на 99 процентов, сделать их меньше и проще в изготовлении», — говорит он.

Если эта технология достаточно развита в вычислительном отношении, она может быть полезна в качестве готового продукта в биомедицине для экспериментов с множеством исходных данных, таких как выращивание тканей на чипах, говорит Альберт Фолч из Вашингтонского университета в Сиэтле. Он говорит, что клапаны в пневматическом компьютере пока не могут делать все, что транзисторы в электронных чипах, но вычислительная мощность пневматического компьютера, вероятно, увеличится в будущем.

Пневматические компьютеры могли бы управлять миниатюрными биохимическими лабораториями, но они также могли бы стать «мозгами» для мягких роботов, говорит Сиаваш Ахрар из Калифорнийского государственного университета в Лонг-Бич, который работал над проектом. По его словам, воздух и давление уже используются для движения некоторых роботов, а теперь их также можно использовать, чтобы помочь роботам принимать решения посредством простых вычислений.