화학 컴퓨터

Chemical computer
이 기사는 분자 및 화학 시스템을 이용한 계산에 관한 것입니다.단일 분자를 활성 소자로 사용하는 계산은 분자 척도 전자 장치 및 분자 논리 게이트를 참조하십시오.

반응 확산 컴퓨터, 벨루소프-자보틴스키(BZ) 컴퓨터 또는 구와어 컴퓨터라고도 불리는 화학 컴퓨터는 데이터가 다양한 농도의 [1]화학 물질로 표현되는 반고체 화학 물질 "수프"에 기반을 둔 비전통적인 컴퓨터이다.계산은 자연적으로 발생하는 화학 반응에 의해 수행됩니다.

배경

원래 화학 반응은 계산에 그다지 유망하지 않은 안정적인 평형을 향한 단순한 움직임으로 간주되었다.이것은 1950년대에 소련의 과학자 보리스 벨루소프가 발견한 것에 의해 바뀌었다.그는 다른 성분들의 농도가 주기적인 방식으로 위아래로 변화하기 때문에 노란색과 투명 사이에서 왔다 갔다 하는 다른 소금과 산들 사이의 화학 반응을 만들었습니다.그 당시에 이것은 열역학 제2법칙에 어긋나는 것으로 보였기 때문에 불가능한 것으로 여겨졌는데, 이것은 폐쇄적인 시스템에서는 엔트로피가 시간이 지남에 따라 증가하여 평형을 얻을 때까지 혼합물의 성분들이 스스로 분포하게 하고 농도의 변화를 불가능하게 만든다는 것이다.그러나 [1][2]현대의 이론적인 분석은 자연의 법칙을 어기지 않고도 충분히 복잡한 반응이 실제로 파동 현상을 구성할 수 있다는 것을 보여준다.(Anatol Zhabotinsky가 나선형의 색깔 파도를 보여주는 벨루소프-자보틴스키 반응과 함께 설득력 있는 직접 눈으로 확인할 수 있는 실험을 했다.)

BZ 반응의 파동 특성은 다른 모든 파동과 같은 방식으로 정보를 이동할 수 있다는 것을 의미합니다.이것은 여전히 복잡한 논리 게이트 시스템을 통해 1과 0을 전송하고 변화시키는 바이너리 코드를 사용하여 기존의 마이크로칩에 의해 수행되는 연산의 필요성을 남긴다.생각할 수 있는 계산을 수행하려면 NAND 게이트가 있어야 합니다(낸드 게이트에는 2비트 입력이 있습니다).두 비트가 모두 1이면 출력이 0이고, 그렇지 않으면 1)입니다.화학 컴퓨터 버전에서 논리 게이트는 서로 다른 방법으로 서로를 차단하거나 증폭하는 집중파에 의해 구현된다.

현재의 연구

1989년에 빛에 민감한 화학 반응이 어떻게 영상 [3]처리를 수행할 수 있는지 입증되었다.이로 인해 화학 컴퓨팅 분야가 급부상했습니다.영국 서부 대학의 Andrew Adamatzky는 반응 확산 과정을 사용하여 [4]간단한 논리 게이트를 시연했습니다.게다가, 그는 이론적으로 세포 오토마톤으로 모델링된 가상의 "2+ 매체"가 어떻게 [5]계산을 수행할 수 있는지를 보여주었다.Adamatzky는 당구대 위의 공을 사용하여 BZ-화학에 이 원리를 전달하고 당구공을 파동으로 대체함으로써 계산에 관한 이론적인 기사에서 영감을 받았습니다: 만약 두 개의 파동이 용액에서 만나면, 그들은 1로 등록된 세 번째 파동을 생성합니다.그는 실제로 이론을 실험했고 화학 포켓 [citation needed]계산기를 만들기 위해 수천 가지 화학 버전의 논리 게이트를 만드는 일을 하고 있다.이 기술의 현재 버전에서의 문제점 중 하나는 파도의 속도이다. 파도는 분당 몇 밀리미터의 속도로만 확산된다.Adamatzky에 따르면 게이트를 서로 매우 가까이 배치하여 신호가 빠르게 전송되도록 함으로써 이 문제를 제거할 수 있습니다.또 다른 가능성은 파동이 훨씬 더 빨리 전파되는 새로운 화학 반응일 수 있다.

2014년에는 스위스 연방 재료 과학 기술 연구소(Empa)가 이끄는 국제 팀이 화학 컴퓨팅 시스템을 개발했습니다.화학 컴퓨터는 산성 겔을 사용하여 마랑고니 효과에서 도출된 표면 장력 계산을 사용하여 A 지점과 B 지점 사이의 가장 효율적인 경로를 찾아 동일한 [6][7]경로를 계산하려는 기존 위성 항법 시스템을 앞질렀다.

2015년 스탠포드 대학 대학원생들은 자기장과 자성 나노 입자가 주입된 물방울을 이용해 화학 [8][9]컴퓨터의 기본 원리를 몇 가지 보여 주는 컴퓨터를 만들었습니다.

2015년 워싱턴 대학교 학생들은 화학 반응을 위한 프로그래밍 언어(원래 DNA [10][11]분석을 위해 개발됨)를 만들었습니다.

2017년, 하버드 대학의 연구원들은 벨루소프-자보틴스키 [12]반응의 비선형 역학을 이용하여 작동하는 화학 튜링 기계를 특허 취득했다.그들이 개발한 시스템은 깁스 자유 에너지 고려사항을 사용하여 촘스키 타입 1 언어를 인식할 수 있다.이 연구는 촘스키 타입 2 및 타입 3 [13]언어용 시스템을 포함하여 2019년에 발표되었습니다.

2020년 글래스고 대학 연구진은 BZ 매체의 진동을 제어하기 위해 3D 프린팅 부품과 자기 교반기를 이용해 화학 컴퓨터를 개발했습니다.그렇게 함으로써, 그들은 이진 논리 게이트를 계산하고 패턴 [14]인식을 수행할 수 있었다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ a b Kumar, Ambar; Mahato, Akash Kumar; Singh, Akashdeep (2014). "Chemical Computing: The different way of computing" (PDF). International Journal of Innovative Research in Technology. 1 (6). ISSN 2349-6002. Archived from the original (PDF) on 2015-06-15. Retrieved 2015-06-14.
  2. ^ "Moore's Law Is About to Get Weird". Nautilus.
  3. ^ L. Kuhnert; K. I. Agladze; V. I. Krinsky (1989). "Image processing using light-sensitive chemical waves". Nature. 337 (6204): 244–247. doi:10.1038/337244a0.
  4. ^ Adamatzky, Andrew; De Lacy Costello, Benjamin (2002). "Experimental logical gates in a reaction-diffusion medium: The XOR gate and beyond". Physical Review E. 66 (4): 046112. doi:10.1103/PhysRevE.66.046112. PMID 12443264.
  5. ^ Andrew I. Adamatzky (1997). "Information-processing capabilities of chemical reaction-diffusion systems. 1. Belousov-Zhabotinsky media in hydrogel matrices and on solid supports". Advanced Materials for Optics and Electronics. 7 (5): 263–272. doi:10.1002/(SICI)1099-0712(199709)7:5<263::AID-AMO317>3.0.CO;2-Y.
  6. ^ "Chemical GPS Outpreforms Satellite Navigation System > ENGINEERING.com". engineering.com.
  7. ^ "Empa invents chemical computer faster than a satnav". gizmag.com.
  8. ^ "Stanford has created a water-droplet computer - ExtremeTech". ExtremeTech.
  9. ^ "This computer clocks uses water droplets, manipulating information and matter at the same time". ZME Science.
  10. ^ Taylor Soper. "Chemical computer: Researchers develop programming language to control DNA molecules". GeekWire.
  11. ^ "UW engineers invent programming language to build synthetic DNA". washington.edu.
  12. ^ US 982 771
  13. ^ Dueñas-Díez M, Pérez-Mercader J (2019). "How Chemistry Computes: Language Recognition by Non-Biochemical Chemical Automata. From Finite Automata to Turing Machines". iScience. 19: 514–526. doi:10.1016/j.isci.2019.08.007. PMC 6710637. PMID 31442667.
  14. ^ "A programmable chemical computer with memory and pattern recognition". Nature Communications.