جهاز كمبيوتر يعمل بقطرات الماء

تم تطوير جهاز كمبيوتر قادر على العمل على أساس قوانين الفيزياء الفريدة لتحريك قطرات الماء. هدف الباحثين هو تطوير عائلة جديدة من أجهزة الكمبيوتر التي يمكنها التحكم الدقيق في المادة المادية وإدارتها.

[ترجمة د.نحماني موشيه]
تم تطوير جهاز كمبيوتر قادر على العمل على أساس قوانين الفيزياء الفريدة لتحريك قطرات الماء. هدف الباحثين هو تطوير عائلة جديدة من أجهزة الكمبيوتر التي يمكنها التحكم الدقيق في المادة المادية وإدارتها.

لا يتعايش الكمبيوتر والماء عادةً، لكنهما يعيشان معًا في مختبر الباحث مانو براكاش. تمكن براكاش، أستاذ الهندسة الحيوية في جامعة ستانفورد، وفريقه البحثي من بناء جهاز كمبيوتر متزامن يعمل باستخدام قوانين الفيزياء الفريدة لتحريك قطرات الماء. ويعمل الباحث على تطوير هذا الحاسوب منذ عقد من الزمن، بدءاً بالفكرة التي خطرت في ذهنه عندما كان طالباً جامعياً. يجمع البحث بين خبرته في مجال ديناميكيات الموائع مع المكون الأساسي للكمبيوتر - ساعة المزامنة. وقال الباحث الرئيسي: "كجزء من هذا البحث، أظهرنا أخيرًا البوابة المنطقية والتحكم المتزامن".

بفضل طبيعته العالمية، يستطيع الكمبيوتر القطيري، نظريًا، إجراء أي عملية يستطيع الكمبيوتر الإلكتروني العادي حاليًا القيام بها، وإن كان بمعدل أقل بكثير. "لدينا اليوم بالفعل أجهزة كمبيوتر رقمية قادرة على معالجة المعلومات. يقول الباحث الرئيسي: "هدفنا ليس التنافس مع أجهزة الكمبيوتر الإلكترونية أو تشغيل معالج النصوص بها". "هدفنا هو تطوير عائلة جديدة تمامًا من أجهزة الكمبيوتر القادرة على التحكم بدقة في المواد الملموسة. تخيل أنك قادر على تشغيل مجموعة من الحسابات التي لا تعالج المعلومات فحسب، بل تؤثر أيضًا على المادة المادية خوارزميًا. والآن جعلنا ذلك ممكنًا على المستوى المتوسط ​​(المقياس المتوسط)." إن القدرة على التحكم في الدقة في القطرات بمساعدة الحوسبة السائلة يمكن أن تؤدي إلى تطوير عدد من التطبيقات المتقدمة في مجالات البيولوجيا والكيمياء، وربما التطبيقات الرقمية الجديدة أيضًا. وقد نُشرت نتائج البحث منذ فترة طويلة في المجلة العلمية Nature Physics.

لسنوات، كان الباحث مهتمًا بما يمكن أن يحدث إذا تمكن من استخدام قطيرات صغيرة كأجزاء من المعلومات (مثل صفر وواحد في لغة ثنائية) والاستفادة من الحركة الدقيقة لهذه القطيرات لمعالجة المعلومات وإدارة المواد فعليًا في نفس الوقت. نفس الوقت. وفي النهاية، قرر الباحث بناء مجال مغناطيسي دوار يمكن استخدامه كساعة تزامن جميع القطرات في النظام. توجد ساعات الكمبيوتر في كل منتجات الراحة اليومية تقريبًا - الهواتف الذكية ومسجلات الفيديو الرقمية والطائرات والإنترنت نفسه - بدون ساعة، لا يمكن لأي من هذه المنتجات أن تعمل دون مضاعفات خطيرة ومتكررة. يُطلب من كل برنامج كمبيوتر تقريبًا تنفيذ عدة عمليات في نفس الوقت، ويتم تنفيذ كل منها بشكل مثالي واحدة تلو الأخرى. تضمن الساعة أن هذه العمليات تبدأ وتنتهي في الوقت المناسب، مما يسمح بمزامنة المعلومات. إذا لم تكن الساعة موجودة، فإن النتائج تسوء - على غرار الجنود الذين يسيرون في التشكيل: إذا قام جندي واحد بتعطيل الحركات المتزامنة بشكل كبير، فسوف ينهار هيكل المجموعة بأكمله قريبًا. ويوضح الباحث أن هذا صحيح أيضًا في حالة العمليات الحاسوبية المتزامنة التي تتم دون مزامنتها مع الساعة.

يتطلب تطوير ساعة لجهاز كمبيوتر سائل من الباحثين أن يكونوا مبدعين قليلاً. يجب أن تكون المناورة سهلة ويمكن أن تؤثر على عدة قطرات في نفس الوقت. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن يكون النظام قابلاً للتطوير في المستقبل، بحيث يمكن لعدد كبير من القطرات التواصل مع بعضها البعض دون فقدان أي منها. ويعتقد الباحث الرئيسي أن المجال المغناطيسي قد يكون هو الحل.

قام الباحثون ببناء مصفوفات من الإبر الحديدية الصغيرة على الأسطح الزجاجية، وهي مصفوفة تشبه متاهة لعبة الأطفال بكمن. ووضعوا سطحًا زجاجيًا معتمًا فوق السطح السفلي وأدخلوا طبقة من الزيت بينهما. وفي الخطوة التالية، حقنوا في الخليط قطرات فردية من الماء تم إدخال جسيمات نانوية مغناطيسية صغيرة فيها. ثم قاموا بتطبيق مجال مغناطيسي على هذه المجموعة بأكملها. في كل لحظة يتم فيها عكس اتجاه المجال، يتم عكس قطبية الإبر أيضًا، مما يؤدي إلى تنظيم القطرات الممغنطة في اتجاه جديد محدد مسبقًا. يتم احتساب كل انعكاس للمجال على أنه استكمال لدورة ساعة واحدة.

تسجل الكاميرا التفاعلات بين القطرات الفردية، مما يسمح لك بمشاهدة العملية الحسابية أثناء حدوثها في الوقت الفعلي. إن وجود أو عدم وجود قطرة يمثل الإشارة صفر أو واحد في اللغة الثنائية، وتضمن الساعة أن جميع القطرات ستتحرك في تزامن تام وبالتالي يمكن للنظام أن يعمل، نظريا، إلى الأبد ودون أي أخطاء.

يوضح الباحث الرئيسي: "في ضوء هذه القواعد، تمكنا من إثبات أنه يمكننا إنشاء جميع البوابات المنطقية العالمية المستخدمة في عالم الإلكترونيات، وذلك ببساطة عن طريق تغيير ترتيب الأطراف الموجودة على الشريحة". وكجزء من المقالة، يوضح الباحثون مجموعة متنوعة من الأنواع المختلفة للبوابات المنطقية. ويبلغ حجم الرقائق الحالية حوالي نصف حجم طابع البريد، مع حجم القطرات أصغر من بذور الخشخاش، حتى أن الباحث الرئيسي يدعي أن قوانين الفيزياء التي تحكم النظام الجديد تشير ضمنا إلى أنه يمكن جعلها أصغر حجما. . وإلى جانب حقيقة أن المجال المغناطيسي قادر على التحكم بملايين القطرات في نفس الوقت، يجب أن يكون النظام مناسبًا لأي حجم.

ويشير الباحث الرئيسي إلى أن التطبيق الأكثر إلحاحًا يمكن أن يتعلق بتحويل الكمبيوتر إلى مختبر كيميائي أو بيولوجي متقدم للغاية. فبدلاً من إجراء التفاعلات في أوعية مختبرية كبيرة، يمكن لكل قطرة أن تحمل العديد من المواد المتفاعلة وتصبح وعاءً مختبريًا بحد ذاتها، ويوفر الكمبيوتر نفسه تحكمًا استثنائيًا في هذه التفاعلات.

أخبار الدراسة
ملخص المقال