A Stanford si sperimenta il processore idraulico che elabora informazione e manipola i fluidi

A Stanford si sperimenta il processore idraulico che elabora informazione e manipola i fluidi

Goccioline di un fluido come bit di informazione: è questo il principio di base di un nuovo genere di sistema che permetterà non solo di elaborare l'informazione ma anche di condurre manipolazioni sulla materia

di Andrea Bai pubblicata il , alle 08:01 nel canale Scienza e tecnologia
 

Manu Prakash, assistente professore di bioingegneria a Stanford, è riuscito a concretizzare un'idea che lo accompagna da una decina d'anni: realizzare un sistema di computazione basato sulla fisica dei fluidi. Una sorta di "computer idraulico" che può, almeno in linea teorica, compiere qualsiasi operazione alla portata di un computer elettronico convenzionale, sebbene a velocità sensibilmente inferiori.

L'ambizione di Prakask e dei ricercatori che hanno lavorato con lui è però di altra portata: "Abbiamo già i computer digitali che processano informazioni. L'obiettivo non è competere con essi ma costruire una nuova classe di elaboratori che siano in grado di controllare e manipolare con precisione la materia fisica. Immaginiamo che al momento di eseguire una serie di calcoli non venga solo elaborata l'informazione ma anche la materia fisica. Abbiamo reso possibile tutto ciò a livello di mesoscala".

Dicevamo di un'idea nata una decina d'anni fa: Prakash ha cercato di immaginarsi come impiegare piccole goccioline di un fluido come bit di informazione e di sfruttare i movimenti di queste goccioline per processare l'informazione e manipolare la materia fisica. Serviva innanzitutto un clock.

Nell'architettura di un elaboratore il clock è quell'elemento responsabile della sincronia delle operazioni. Qualsiasi programma richiede l'esecuzione di svariate operazioni che devono essere condotte in maniera simultanea e passo-passo. La presenza di un clock assicura che queste operazioni inizino e finiscano allo stesso momento, garantendo la sincronia. "La ragione per la quale i computer operano con precisione è che ogni operazione avviene in maniera sincrona. E' ciò che rende la logica digitale così potente".

Lo sviluppo di un clock per un elaboratore basato su fluidi richiede però un po' di pensiero creativo. Facilità di gestione, capacità di interagire con un ampio numero di goccioline e scalabilità sono le caratteristiche chiave di un dispositivo del genere. L'intuizione è stata quella di usare un campo magnetico rotante che possa fungere da clock per sincronizzare i movimenti delle goccioline.

I ricercatori hanno quindi disposto su un vetrino una serie di barre di ferro a formare una sorta di griglia che rievoca, nell'aspetto, il labirinto di uno schema di Pac-Man. Un altro vetrino è stato collocato alla sommità della griglia ed interposto tra essi uno strato di olio. All'interno sono quindi state iniettate con accuratezza delle goccioline di ferrofluido. Ad ogni oscillazione del campo magnetico la polarità delle barre viene invertita, trascinando le goccioline in una direzione predeterminata. Ogni rotazione del campo costituisce un ciclo di clock. La presenza o l'assenza delle goccioline rappresenta gli elementi "0" e "1" del codice binario e il clock assicura che tutte le goccioline si muovano in perfetta sincronia.

I ricercatori hanno pubblicato su Nature Physics i risultati del progetto, descrivendo i building block per i gate logici sincroni, per le strutture di feedback e per la cascabilità, tutti tratti distintivi della computazione scalabile. Nella pubblicazione è stato inoltre descritto un dispositivo flip-flop usando i building block di base appena descritti. "Con queste regole abbiamo dimostrato la possibilità di realizzare tutti i gate logici che vengono usati nell'elettronica, semplicemente modificando la disposizione delle barre. Possiamo costruire qualsiasi circuito booleano con queste piccole goccioline in movimento" ha osservato Georgios Katsikis, ricercatore che ha collaborato con Prakash e primo autore della pubblicazione.

Gli esemplari creati fino ad ora hanno dimensioni di poco inferiori a quelle di un francobollo con le goccioline che sono più piccole dei semi di papavero. Il sistema potrebbe essere realizzato anche a più piccole dimensioni il che, unitamente alla possibilità di controllare milioni di goccioline simultaneamente grazie al campo magnetico, lo rende estremamente scalabile: "Possiamo farlo più piccolo, così da poter lavorare con goccioline più piccole e fare più operazioni per chip. Questo porta ad un'ampia possibilità di applicazioni".

L'applicazione più immediata potrebbe essere la trasformazione di questo sistema in una sorta di laboratorio di chimica e biologia ad elevato throughput. Invece di sperimentare reazioni con beute, becher e matracci, ciascuna goccia potrebbe essere portatrice di una sostanza chimica con la quale è possibile condurre e studiare interazioni con un controllo senza precedenti.

La robustezza del sistema e l'universalità delle regole di progettazione su cui esso si basa permetterà a Prakash di realizzare presto uno strumento di progettazione per chiunque voglia costruire circuiti con i building block di base: "Siamo molto interessati a coinvolgere chiunque voglia provare e permettere a chiunque di progettare nuovi circuiti basati sui mattoncini che abbiamo descritto o scoprirne di nuovi. Adesso è possibile combinare questi circuiti per formare un processore di goccioline senza controllo esterno, una cosa che in precedenza era estremamente difficile da realizzare" ha concluso Prakash.

10 Commenti
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MacLinuxWinUser12 Giugno 2015, 11:32 #1
Ma è il nipote del MONIAC !

https://en.wikipedia.org/wiki/MONIAC_Computer

Mi ricordo di un libro, all'università, che mostrava i circuiti logici, AND, OR, mostrandoli come costruirli sia con resistenze e transistor che con tubi e valvole !
LMCH12 Giugno 2015, 14:05 #2
Questo è estremamente interessate anche perche le goccioline possono trasportare sostanze solubili in acqua.
Quindi con tale sistema si possono realizzare sia dei dosatori di farmaci con regalazione ultra-fine che dei "mini-laboratori programmabili" che a partire da una goccia di campione, la suddividono e poi inviano i campioni più piccoli a unita di test (integrate nel cicuito) oppure le miscelano con reagenti, ecc.
O anche entrambe le cose con un solo dispositivo.
Immaginate un aggeggio simile impiantato sottopelle che vi permette di fare varie analisi anche molto sofisticate e che riprogrammato in base ai dati letti poi dosa farmaci o principi attivi.
Pier220412 Giugno 2015, 14:44 #3
Originariamente inviato da: LMCH
Questo è estremamente interessate anche perche le goccioline possono trasportare sostanze solubili in acqua.
Quindi con tale sistema si possono realizzare sia dei dosatori di farmaci con regalazione ultra-fine che dei "mini-laboratori programmabili" che a partire da una goccia di campione, la suddividono e poi inviano i campioni più piccoli a unita di test (integrate nel cicuito) oppure le miscelano con reagenti, ecc.
O anche entrambe le cose con un solo dispositivo.
Immaginate un aggeggio simile impiantato sottopelle che vi permette di fare varie analisi anche molto sofisticate e che riprogrammato in base ai dati letti poi dosa farmaci o principi attivi.


Inquietante, spero che il sistema non vada in crash e ti somministri un litro di insulina per diabetici..
LMCH12 Giugno 2015, 16:47 #4
Originariamente inviato da: Pier2204
Inquietante, [U]spero che il sistema non vada in crash[/U] e ti somministri un litro di insulina per diabetici..


Impossibile.

Al massimo va in SPLASH.
bobafetthotmail12 Giugno 2015, 17:58 #5
Bello, ora i lab-on-a-chip microfulidici possono girare con microprocessori microfluidici.

rapida lista di benefici:
-non è facilmente hackerabile (non avendo un firmware diventa un pò difficile farlo), GROSSA, IMMENSA, STREPITOSA cosa perchè i sistemi biomedici in quanto sistema embedded standard (= fatti con 2 occhi al risparmio e neanche un occhio al fare le cose bene) sono dei porcili come sicurezza, tra gente che hackera pacemaker, dispenser di medicine liquide in vena, eccetera.
pacemaker http://spectrum.ieee.org/podcast/bi...king-pacemakers
macchine dispenser di medicinali http://www.gomerblog.com/2014/12/pyxis-dilaudid/
e di nuovo un pò tutto http://www.wvtm13.com/money/a-hacke...erdose/33503970

-non necessita di batterie ma di qualcosa a molla per pressurzzare il fluido, quindi molto più "rugged".

-resistenza alle radiazioni assurda. I processori tradizionali possono essere solo progettati per durare di più ma eventualmente muoiono se esposti costantemente alle radiazioni (e costano cifroni paurosi). Un circuito microfluidico se la cava molto meglio visto che... il grosso del circuito è un liquido.

-se ne fotte delle interferenze elettromagnetiche o di altra natura

Contro:
-le performance fanno cagarissimo. se va di culo questa roba raggiunge i microcontroller tipo Arduino, ma non credo che si riesca ad andare molto oltre in tempi brevi.

Quindi con tale sistema si possono realizzare sia dei dosatori di farmaci con regalazione ultra-fine che dei "mini-laboratori programmabili" che a partire da una goccia di campione, la suddividono e poi inviano i campioni più piccoli a unita di test (integrate nel cicuito) oppure le miscelano con reagenti, ecc.
Secondo me i microprocessori a fluido devono usare un fluido PURO e PULITO, perchè sennò se del calcare o del rottame di natura biologica si deposita in giro poi si intoppano come tutti i sistemi idraulici, poi chi va a pulire i tubi? facciamo girare delle gocce di mister muscolo idraulico gel? LoL.

Poi possono controllare tranquillamente i lab-on-a-chip, ma lo fanno da fuori come hanno fatto fino ad ora coi sistemi elettronici.
LMCH13 Giugno 2015, 00:18 #6
Originariamente inviato da: bobafetthotmail

Secondo me i microprocessori a fluido devono usare un fluido PURO e PULITO, perchè sennò se del calcare o del rottame di natura biologica si deposita in giro poi si intoppano come tutti i sistemi idraulici, poi chi va a pulire i tubi? facciamo girare delle gocce di mister muscolo idraulico gel? LoL.


La tecnologia di cui si sta parlando è applicabile ANCHE per realizzare processori di dati, ma potenzialmente ci si possono anche realizzare dosatori programmabili, "mini-laboratori" ed anche altri tipi di dispositivi, sia "durevoli", "riutilizzabili" che "usa e getta".
bobafetthotmail13 Giugno 2015, 13:09 #7
Secondo me ti sei perso qualcosa... i processori microfluidici sono una evoluzione dei lab-on-a-chip, cioè i mini-laboratori microfluidici.

i lab-on-a-chip sono tecnologia nata negli anni 90. https://en.wikipedia.org/wiki/Lab-on-a-chip
Ma stanno crescendo recentemente nel mercato biomedicale e dei sensori chimici, oggigiorno se ne possono produrre valanghe a prezzi modici.

Ad esempio nel 2011 hanno fatto un micro-laboratorio di test per l'HIV che costa 5$ ed è controllato da uno smartphone (prezzo ovviamente non incluso) http://info.biotech-calendar.com/bi...-Flow-Cytometer

Le aziende attive nel settore lab-on-a-chip sono qui http://selectbiosciences.com/confer...;conf=LOACE2015

Ora stanno sfondando ed entrano anche nel settore processori scrausi/microcontroller per sistemi embedded, ma la tecnologia da cui è partito tutto sono i micro-laboratori.
LMCH15 Giugno 2015, 00:03 #8
Originariamente inviato da: bobafetthotmail
Secondo me ti sei perso qualcosa... i processori microfluidici sono una evoluzione dei lab-on-a-chip, cioè i mini-laboratori microfluidici.


Veramente la logica fluidica risale agli anni '60, ed i sistemi microfluidici attuali hanno tutti origine dalle ricerche di base sulle testine delle stampanti ink-jet risalenti agli anni '80.

I mini-laboratori microfluidici sono solo uno dei rami di ricerca derivati e hanno solo il merito di essere stati commercializzati per primi vista l'assenza di veri concorrenti nel loro settore.

Ma quello di cui si parla nell'articolo è qualcosa di molto differente dai dispositivi microfluidici attualmente in uso, sia per il metodo di controllo e sincronizzazione e sia per il fatto che la stessa architettura permette di realizzare circuiti sia per l'elaborazione di dati che per il trasporto e la miscelazione di quantità molto precise di liquidi e/o sostanze in soluzione liquida su percorsi "programmabili" (in modo molto più versatile rispetto ai mini-laboratori).
Quindi processore di dati, mini-lab di sintesi oppure di analisi o un misto delle tre cose.
In pratica costituirebbe la base per un "FPGA microfluidico".
bobafetthotmail16 Giugno 2015, 17:09 #9
Originariamente inviato da: LMCH
I mini-laboratori microfluidici sono solo uno dei rami di ricerca derivati e hanno solo il merito di essere stati commercializzati per primi vista l'assenza di veri concorrenti nel loro settore.
Sì, sto dicendo che la tecnologia la stanno sviluppando loro. Se non si ripaga non la sviluppa nessuno, e quindi sì, sono figli di tecnologie scoperte e raffinate per i microlaboratori.

permette di realizzare circuiti sia per l'elaborazione di dati che per

Sospetto di no. Questo sembra un processore puro. Usa goccioline di "ferrofluido" (suppongo un fluido con proprietà magnetiche) sospese dentro una soluzione oleosa ( che viene mosso da campi magnetici delle armature (i percorsi simili a PacMan).

Questo credo che limiti parecchio i campi di utilizzo come parte che lavora coi reagenti nei microlaboratori.

il trasporto e la miscelazione di quantità molto precise di liquidi e/o sostanze in soluzione liquida su percorsi "programmabili" (in modo molto più versatile rispetto ai mini-laboratori).
Mah, un microlaboratorio in genere viene fatto per automatizzare un singolo processo di analisi, anche perchè integra zone con elettrodi per elettroforesi o zone riscaltate per la PCR, o altre zone con sistemi particolari http://www.epa.gov/rpdweb00/docs/cl...b-on-a-chip.pdf

Quindi potrebbe essere d'aiuto come detto prima per controllarlo forse, ma un microlaboratorio è per natura una macchina poco flessibile.

Ma visto che generalmente servono ad automatizzare analisi che andrebbero ripetute mille milioni di volte o che sono molto molto comuni, il fatto che siano poco flessibili è relativamente irrilevante.

Sono delle ASIC (acceleratori hardware) della biochimica. Fanno UNA cosa e la fanno molto bene, ma non sono flessibili per niente.

Questo coso qui è un processore general-purpose (l'opposto) che con la biochimica fa poco.


Esempio, hai presente il progetto genoma? Adesso ci sono minilaboratori che sequenziano il genoma tipo questo:
http://www.extremetech.com/computin...-in-three-hours
Il genoma di un e.coli (il genoma "sequenziato in 3 ore" di cui parlano nell'articolo) è 4.6 milioni di paia di basi, quello umano è sui 3.2 miliardi e rotti.
Quindi questo microlaboratorio da solo (in teoria) sequenzierebbe un DNA umano in tipo [S]695[/S] 2086 ore, che sono circa [S]28[/S] 86 giorni. [S]Un mesetto.[/S] tre mesi circa
(errore di matematica, non avevo moltiplicato per 3, il discorso non cambia)
Costa solo 50 mila dollari e non richiede addestramento particolare per essere usato.

Il progetto Genoma ci ha messo 13 anni (1990-2003), è costato tre miliardi ma molto del personale era fondamentalmente aggratis perchè ricercatori erano pagati dalle università (quindi un costo fisso che veniva pagato comunque anche senza progetto Genoma), e se non sviluppavano i microarray per fare il grosso del lavoro erano ancora lì che lo sequenziavano adesso.
Apachi2216 Giugno 2015, 19:02 #10
Che fissa!!

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