I skärningspunkten mellan kemi och beräkning har forskare från University of Glasgow utvecklat ett hybrid digitalt-kemiskt probabilistiskt beräkningssystem baserat på Belousov-Zhabotinsky (BZ)-reaktionen som kan användas för att lösa kombinatoriska optimeringsproblem.
Genom att utnyttja den inneboende probabilistiska naturen hos BZ-reaktioner, visar systemet framväxande beteenden som replikering och konkurrens som ses i komplexa system, som påminner om levande organismer. Detta kan bana väg för nya tillvägagångssätt för beräkningsuppgifter som berörs av de begränsningar som moderna beräkningar sätter.
Att kombinera elektronisk styrning och kemisk dynamik erbjuder ett sätt att utföra effektiv beräkning, och kombinerar det bästa av båda mot utvecklingen av adaptiva, bioinspirerade datorplattformar med oöverträffad effektivitet och skalbarhet.
Forskningen ledd av professor Leroy Cronin, Regius Chair of Chemistry vid University of Glasgow, publicerades i Nature Communications . Prof. Cronin talade med Phys.org om deras arbete och förklarade sin motivation bakom att fortsätta med detsamma.
"Jag ville se om vi kunde göra en ny typ av kemisk informationsbearbetningssystem eftersom jag är inspirerad av hur biologi kan bearbeta information i våta hjärnor," sa han.
Modern datoranvändning bygger på transistorer, byggstenarna i elektroniska enheter, som används för att skapa logiska grindar och minnesceller, som utgör grunden för digitala kretsar. Men behovet och efterfrågan på mer beräkningskraft gör att transistorer blir mindre och mindre.
Miniatyriseringen av transistorer har flera begränsningar på grund av begränsningar som ställs av tillverkningar och fysikens lagar. Ju mindre transistorn är, desto svårare är den att tillverka och kräver mer kraft, avleder mer värme och blir mindre och mindre energieffektiv.
Detta har fått forskare att utforska andra typer av datorer, till exempel kvantberäkningar, som samtidigt är extremt kraftfulla för att lösa problem med klassiska datorer inte kan drabbas av skalbarhetsproblem på grund av felkorrigering.
Å andra sidan använder beräkning baserad på fysikaliska processer, såsom kemiska reaktioner, en blandning av system som digitala, kemiska och optiska. Detta öppnar nya vägar för okonventionella datorarkitekturer med möjligheter utöver traditionella digitala system.
BZ-reaktionen är ett klassiskt exempel på en kemisk oscillator, där reaktant- och produktkoncentrationerna genomgår periodiska förändringar. Det observeras i många kemiska system, såsom laboratoriemiljöer och biologiska system.
BZ-reaktionens förmåga att uppvisa komplex, olinjär dynamik gör den till ett attraktivt val för att studera framväxande fenomen och okonventionella datorparadigm.
I denna forskning fungerar BZ-reaktionen som grunden för ett hybridberäkningssystem på grund av dess inneboende oscillerande beteende, anpassningsförmåga och lyhördhet för yttre stimuli. Genom att utnyttja dynamiken i BZ-reaktioner kan forskare efterlikna komplexa beteenden som ses i naturliga system, vilket ger en mångsidig plattform för beräkning.
Koncentrationerna kan fungera som binär information (där 0 är låga koncentrationer och 1 för höga koncentrationer) och de oscillerande koncentrationerna kan fungera som tidsberoende variabler. Dessutom kan information spridas mellan enskilda celler som har BZ-reaktioner genom processer som diffusion.
Prof. Cronin förklarade vidare, "Reaktionen har två tillstånd på och av och varje ruta [eller cell] i nätverket kan blinka oberoende, synkroniserat eller efter kommunikation. Detta är den process genom vilken systemet kan programmeras att beräkna ett problem som sedan läses upp av kameran."
Kärnan i informationsprocessorn är ett 3D-printat rutnät av sammankopplade reaktorer. Varje reaktor eller cell är värd för BZ-reaktionen, vilket gör den till en rad BZ-reaktioner.
Ingången till denna array är elektronisk och styrs av magnetiska omrörare som kan manipulera reaktionen i dessa celler. Det finns också gränssnittsomrörare som kan underlätta interaktioner mellan kopplade celler (via diffusion), detta hjälper till att synkronisera svängningarna.
Forskarna observerade att svängningarna av reaktanten och produktkoncentrationerna uppstår som tvångsdämpade svängningar, där omrörarna spelar en avgörande roll för att kontrollera dem.
Detta beteende är ett karakteristiskt kännetecken för BZ-reaktioner, där kemiska arter genomgår periodiska förändringar i koncentration över tiden. Dessa förändringar märks av förändringarna i vätskornas färg.
Utdatabehandlingen involverar två nyckelkomponenter:ett faltningsneuralt nätverk (CNN) och en finita tillståndsmaskin för igenkänning (rfsm). Dessa komponenter analyserar reaktant- och produktkoncentrationerna i BZ-reaktionen, som fångas med videokameror.
CNN klassificerar koncentrationerna i diskreta kemiska tillstånd, medan rfsm bestämmer motsvarande kemiska tillstånd baserat på denna klassificering.
Enkelt uttryckt klassificeras och bestäms de diskreta kemiska tillstånden baserat på koncentrationerna av reaktanter och produkter inom BZ-reaktionen, vilka i sig är sannolikheter på grund av reaktionernas natur.
Den probabilistiska naturen uppstår eftersom BZ-reaktionen är icke-linjär, vilket resulterar i komplexa interaktioner mellan kemiska arter som uppvisar inneboende variabilitet och oförutsägbarhet i deras beteende över tid.
Hela systemet fungerar smidigt och kontinuerligt baserat på en återkopplingsslinga baserad på vätskans skiftande färger. När koncentrationerna oscillerar är systemet "på" indikerat med blå färger och när det saknas oscillationer är vätskorna röda, vilket betyder att systemet är "av."
Denna slinga manipulerar omrörarna baserat på färgerna, vilket säkerställer att processen är kontinuerlig med hjälp av "tvingad" eller extern kontroll.
Forskarna använde hybridprocessorn för att visa upp dess beräkningsförmåga genom att implementera kemiska cellulära automater (CCA) i 1D och 2D.
Dessa är matematiska modeller för att simulera komplexa system som består av enkla komponenter som interagerar lokalt med varandra enligt fördefinierade regler.
Detta leder till framväxande beteenden som replikering och konkurrens som uppvisas av "Chemits", som är flercelliga enheter som definieras av mönster av kemiska koncentrationer inom nätet av sammankopplade reaktorer som är värd för BZ-reaktionen.
Dessa beteenden liknar de som observeras i levande organismer och bidrar till komplexiteten och anpassningsförmågan hos beräkningssystemet.
Dessutom visar forskarna att deras beräkningsmetod, som inkluderar både elektroniska och kemiska komponenter, effektivt kan hantera kombinatoriska optimeringsutmaningar, som problemet med resande säljare.
På applikationssidan kan hybridsystem som dessa vara mycket användbara för djupinlärningsuppgifter som kräver icke-linjärt beteende. Kemiska system erbjuder i sig sådana egenskaper, vilket gör hybridberäkningsarkitekturer resurseffektiva för specifika problem där icke-linjäriteter och probabilistiskt beteende är avgörande.
Prof. Cornin tillade:"Jag ser att en solid-state-version kan ersätta hårdvara för artificiell intelligens och tränas mycket lättare."
I framtiden vill han utforska miniatyriseringen av denna teknik och öka storleken på nätet för att lösa verkligt stora problem.
Mer information: Abhishek Sharma et al, En programmerbar hybrid digital kemisk informationsprocessor baserad på Belousov-Zhabotinsky-reaktionen, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45896-7.
Journalinformation: Nature Communications
© 2024 Science X Network
