Científicos del Instituto de Química Física de la Academia de Ciencias de Polonia en Varsovia en cooperación con el Instituto de Física del PAS y la Universidad de Jena han desarrollado el concepto de una computadora química simple hecha de microgotas capaces de buscar bases de datos.Las simulaciones, realizadas en bases de datos de tumores malignos, han confirmado la validez de la nueva estrategia de diseño adoptada, que abre la puerta a la popularización de los métodos químicos de procesamiento de información.
Bajo las condiciones apropiadas, pueden ocurrir reacciones químicas oscilantes dentro de una gota. Si hay más de una gota y están en contacto entre sí, las ondas químicas resultantes pueden penetrar en las gotas vecinas y dispersarse por todo el complejo.Este fenómeno es bien conocido y se están haciendo intentos para usarlo, entre otras cosas, para el procesamiento de datos químicos. La propagación de información a través de muchos sistemas de gotas depende de su disposición geométrica. Hasta ahora, no se sabía mucho sobre cómo diseñarla forma de los complejos de microgotas para que puedan realizar tareas específicas. Entonces, en el Instituto de Química Física de la Academia de Ciencias de Polonia IPC PAS en Varsovia, Polonia, se ha propuesto una estrategia novedosa. En lugar de diseñar laboriosamente sistemas complejos demicrogotas para un propósito particular, es mejor producir primero un sistema y luego tratar de enseñarle algo útil.
"Adoptamos una estrategia que la naturaleza usa con gran eficiencia. Miremos a nosotros mismos. ¡Después de todo, nuestros cerebros no evolucionan para, por ejemplo, reconocer letras! Primero, el cerebro comienza a existir, y solo entonces aprendeleer y escribir. ¿Por qué no abordar sistemas complejos de microgotas de una manera similar, ya que sabemos que también procesan información? Por lo tanto, nuestra propuesta es la siguiente: primero hagamos un sistema de microgotas químicamente interactivas, y luego verifiquemos qué puede aprenderhacer ", dice el profesor Jerzy Górecki IPC PAS.
La investigación sobre el procesamiento químico de la información por sistemas de microgotas, financiado por el Ministerio de Ciencia y Educación Superior de Polonia, la Fundación para la Ciencia de Polonia y la Unión Europea, se llevó a cabo utilizando la reacción oscilante Belousov-Zhabotinsky. Cuando las condiciones de esteLas reacciones se seleccionan adecuadamente, aparece un vagabundeo químico en el espacio. Las reacciones de oscilación son comunes en los organismos vivos. En los humanos, en la etapa de desarrollo embrionario, forman el comienzo de las vértebras espinales; en los adultos son responsables, entre otros, deLas contracciones del músculo cardíaco.
"En la reacción de Belousov-Zhabotinsky, el paso de un frente químico se acompaña de cambios en las concentraciones de iones que conducen a un cambio en el color de la solución. Cuando la reacción ocurre dentro de la gota, se pueden ver pulsos claros que irradian en todas las direccionesdentro del microscopio. Cuanto más grande es la gota, más a menudo late ", explica el estudiante de doctorado Konrad Gi? y? ski IPC PAS.
Los pulsos químicos en complejos de gotas adyacentes se propagan de manera muy similar a la estimulación eléctrica en las fibras nerviosas. Los investigadores del IPC PAS utilizaron frecuencias de pulso en gotas individuales para codificar información: una frecuencia alta correspondía a VERDADERO, una frecuencia baja a FALSO. Para controlar elpulsos y, por lo tanto, entre otras cosas, para ingresar datos, se utilizó la sensibilidad de las reacciones que tienen lugar en las gotas a la luz azul: en las gotas iluminadas por esto, las reacciones mueren por completo.
Se utilizaron simulaciones por computadora para examinar las posibilidades de cálculo de una matriz plana de microgotas adyacentes dispuestas en un cuadrado de 5x5. Dentro de la matriz se distinguieron las gotitas para ingresar datos y las gotitas para procesar información. Los datos se ingresaron simulando una exposición adecuadamente larga de la entradagotitas. El aprendizaje tuvo lugar mediante la interrupción selectiva de las reacciones que tienen lugar en las gotas en un sistema real, la interrupción también se realizaría por la luz. Los investigadores tomaron la gotita cuyas oscilaciones coincidían mejor con la respuesta correcta como la gotita que dabaEl objetivo del proceso de aprendizaje fue seleccionar el tiempo de exposición a la luz de todas las gotas en el sistema de manera que se obtuviera el mayor número de respuestas correctas para todos los registros de la base de datos.
La matriz simulada de microgotas oscilantes clasificó los tumores que estaban en la base de datos CANCER. Esta base de datos está compuesta por 699 registros, de los cuales el 66% corresponden a células tumorales benignas. Esto significa que al ver la próxima entrada si decimos al azar "Don"No se preocupe, su tumor no es maligno ", tenemos un 66% de posibilidades de dar la respuesta correcta.
"Nuestra pequeña computadora química respondió correctamente en más del 90% de los casos. Este es un muy buen resultado y demuestra la efectividad de la estrategia que adoptamos. No es completamente inequívoca, pero incluso la computadora clásica no tiene que darrespuesta correcta a casos fuera de la base de datos. En cualquier caso, los humanos tampoco siempre tomamos las decisiones correctas ", dice el profesor Gorecki.
Los sistemas de procesamiento de información de microgotas pueden construirse utilizando dispositivos microfluídicos. Por lo general, son pequeñas placas hechas de plástico transparente, en las que un líquido portador fluye a través de un sistema de canales diseñados adecuadamente, que transportan gotitas de otros líquidos inmiscibles en el portador. En tales sistemas, es relativamente fácil producir gotas de diferentes tamaños, concentraciones de sustrato o incluso sustratos propios.
"Somos capaces, de manera controlada y repetible, de organizar las microgotas en el espacio, por ejemplo, encerrando muchas gotitas de un líquido dentro de una gotita de otro líquido, y de tal manera que la gotita seleccionada siempre tenga lamismos vecinos. Además, también tenemos técnicas que nos permiten influir en la tasa de intercambio químico a través de las membranas de las gotas adyacentes ", describe el profesor Piotr Garstecki IPC PAS y da el ejemplo de una disposición de nueve microgotas encerradasdentro de otra gota, construida recientemente en su laboratorio.
Los sistemas que procesan información químicamente no pueden reemplazar la electrónica de consumo, son demasiado lentos. Sin embargo, sus ventajas importantes incluyen su capacidad de procesamiento paralelo de información y la posibilidad potencial de trabajar en entornos extremos, por ejemplo, a presiones significativas y / o altastemperaturas, que es donde falla la electrónica moderna. Una perspectiva interesante son las medicinas inteligentes, que responden a muchos factores dentro del cuerpo y que se activan solo bajo circunstancias específicas y estrictamente definidas. Pero las computadoras químicas pueden ofrecer aún más: en teoría, podrían surgir utilizandofenómeno de autoorganización. Esta posibilidad nos permite pensar, entre otros, en sondas espaciales futuristas, capaces de construir de manera independiente componentes clave a partir de materiales disponibles en otros planetas.
Vea los pulsos químicos dispersándose en un sistema de microgotas adyacentes. Después de solo una docena de pulsos, la gota más grande comienza a dominar sobre los demás en http://www.youtube.com/watch?v=I0sBISsZX-w . Fuente: IPC PAS
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Materiales proporcionado por Instituto de Química Física de la Academia de Ciencias de Polonia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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