Chemiczne komputery z mikrokropel łatwiej uczyć niż projektować

fot. IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)

Naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie we współpracy z Instytutem Fizyki PAN i Uniwersytetem w Jenie opracowali koncepcję prostego komputera chemicznego z mikrokropel, zdolnego do przeszukiwania bazy danych. Symulacje komputerowe, przeprowadzone na bazie danych o nowotworach złośliwych, potwierdziły słuszność przyjętej, nowej strategii projektowania, co otwiera drogę do upowszechnienia chemicznych metod przetwarzania informacji.

W odpowiednich warunkach we wnętrzu kropli mogą zachodzić oscylujące reakcje chemiczne. Jeśli kropel jest więcej i się stykają, powstające fale chemiczne są w stanie przeniknąć do sąsiednich kropel i rozchodzą się w całym kompleksie. Zjawisko jest znane, próbuje się je używać m.in. do chemicznego przetwarzania informacji. To, co dzieje się z informacją w układzie wielu kropel, ściśle zależy m.in. od ich rozmieszczenia względem siebie. Dotychczas nie bardzo było wiadomo, jak projektować kształt kompleksów mikrokropel, by te realizowały konkretne zadania. W Instytucie Chemii Fizycznej PAN (IChF PAN) w Warszawie zaproponowano więc nowatorską strategię działania. Zamiast mozolnie projektować złożone układy mikrokropel do określonego celu, lepiej najpierw wyprodukować układ, a potem spróbować nauczyć go czegoś użytecznego.

 – Przyjęliśmy strategię z wielką efektywnością stosowaną przez naturę. Spójrzmy choćby na siebie. Przecież nasz mózg nie wyewoluował po to, żeby np. rozpoznawać litery! Najpierw powstał, dopiero potem nauczył się czytać i pisać. Dlaczego w podobny sposób nie podejść do złożonych układów mikrokropel, skoro wiemy, że też przetwarzają informację? Nasza propozycja jest więc następująca: najpierw wyprodukujmy układ chemicznie oddziałujących mikropel, a dopiero potem sprawdźmy, co też może on umieć! – mówi prof. dr hab. Jerzy Górecki (IChF PAN).

Badania nad chemicznym przetwarzaniem informacji przez układy mikrokropel, finansowane ze środków Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego, Fundacji na rzecz Nauki Polskiej i Unii Europejskiej, przeprowadzono z użyciem reakcji oscylacyjnej Biełousowa-Żabotyńskiego. Gdy odpowiednio dobierze się warunki tej reakcji, w reagującym roztworze pojawia się front chemiczny, wędrujący w przestrzeni. Reakcje oscylacyjne są powszechne w organizmach żywych. U ludzi na etapie rozwoju zarodkowego formują zalążki kręgów kręgosłupa, u dorosłych odpowiadają m.in. za skurcze mięśnia sercowego.

 – W przypadku reakcji Biełousowa-Żabotyńskiego przejściu frontu chemicznego towarzyszą zmiany stężeń jonów prowadzące do zmiany koloru roztworu. Gdy reakcja zachodzi wewnątrz kropli, pod mikroskopem widać w niej wyraźne, rozchodzące się na wszystkie strony pulsy. Im większa kropla, tym częściej pulsuje – wyjaśnia doktorant Konrad Giżyński (IChF PAN).

Chemiczne pulsy w układzie stykających się kropel rozchodzą się w nim bardzo podobnie jak pobudzenia elektryczne we włóknach nerwowych. Naukowcy z IChF PAN użyli częstotliwości pulsów w poszczególnych kroplach do kodowania informacji: duża częstotliwość odpowiadała wartości TRUE, mała - wartości FALSE. W celu kontrolowania pulsów, a więc m.in. do wprowadzania danych, wykorzystano wrażliwość reakcji zachodzących w kroplach na niebieskie światło: w oświetlonych nim kroplach reakcje całkowicie zamierają.

Za pomocą symulacji komputerowych zbadano możliwości obliczeniowe płaskiej matrycy stykających się mikrokropel ułożonych w kwadrat 5x5. W obrębie matrycy wyróżniono krople do wprowadzania danych oraz krople przetwarzające informację. Dane wprowadzano symulując odpowiednio długie naświetlanie kropel wejściowych. Uczenie polegało na selektywnym wstrzymywaniu reakcji zachodzących w kroplach (w rzeczywistym układzie wstrzymywanie także odbywałoby się za pomocą światła). Za podającą odpowiedź naukowcy uznawali tę kroplę, której oscylacje najlepiej zgadzały się z poprawną odpowiedzią. Celem procesu uczenia było takie dobranie czasów oświetlenia wszystkich kropli w układzie, aby otrzymać największą liczbę dobrych odpowiedzi dla wszystkich rekordów w bazie.

Symulowana matryca oscylujących mikrokropel klasyfikowała nowotwory opisane w bazie CANCER. Baza ta składa się z 699 rekordów, wśród których 66% odpowiadało komórkom nowotworów łagodnych. Oznacza to, że mówiąc w ciemno na widok kolejnego wpisu: „Nie przejmuj się, twój nowotwór nie jest złośliwy” mamy 66% szansy na poprawną odpowiedź.

 – Nasz chemiczny komputerek odpowiadał poprawnie w ponad 90% przypadków. To bardzo dobry wynik, dowodzący skuteczności przyjętej przez nas strategii. Nie jest całkowicie jednoznaczny, ale nawet komputer klasyczny nie musi dać właściwej odpowiedzi dla przypadków spoza bazy. Zresztą i my, ludzie, także nie zawsze podejmujemy właściwe decyzje”, mówi prof. Górecki.

Układy mikrokropel przetwarzających informację można budować za pomocą przyrządów mikrofluidycznych. Zazwyczaj są to niewielkie płytki z przezroczystego tworzywa sztucznego, w których przez system odpowiednio zaprojektowanych kanalików płynie ciecz nośna, unosząca kropelki innych, niemieszających się z nią cieczy. W takich układach stosunkowo łatwo można wytwarzać krople różniące się rozmiarami, stężeniami substratów, a nawet samymi substratami.

 – Potrafimy w kontrolowany i powtarzalny sposób rozmieszczać mikrokrople w przestrzeni, na przykład zamykając wiele kropel jednej cieczy wewnątrz kropli innej cieczy - i to tak, że wybrana kropla ma zawsze tych samych sąsiadów. Co więcej, dysponujemy także technikami, które pozwalają wpływać na szybkość wymiany substancji chemicznych przez błony stykających się kropel – opisuje prof. dr hab. Piotr Garstecki (IChF PAN) i jako przykład podaje niedawno wykonany w jego laboratorium układ dziewięciu mikrokropel zamkniętych wewnątrz innej kropli.

Układy przetwarzające informację chemicznie nie zastąpią elektroniki użytkowej - są zbyt wolne. Do ich ważnych zalet należy jednak zdolność do równoległego przetwarzania informacji oraz potencjalna możliwość pracy w ekstremalnych środowiskach, np. o znacznym ciśnieniu i/lub wysokiej temperaturze, czyli tam, gdzie zawodzi współczesna elektronika. Ciekawą perspektywą są inteligentne lekarstwa, reagujące na wiele czynników wewnątrz organizmu i uaktywniające się wyłącznie w specyficznych, ściśle ustalonych sytuacjach. Komputery chemiczne oferują jednak jeszcze więcej: teoretycznie mogłyby powstawać z wykorzystaniem zjawiska samoorganizacji. Możliwość ta pozwala myśleć m.in. o futurystycznych sondach kosmicznych, zdolnych samodzielnie budować swoje kluczowe podzespoły z surowców dostępnych na innych planetach.

Impulsy chemiczne rozchodzą się w układzie stykających się mikrokropel. Już po kilkunastu pulsach największa kropla zaczyna dominować nad pozostałymi.

Źródło: IChF PAN