Пневматический компьютер использует давление вместо электричества

Ученые создали пневматический компьютер, который использует давление вместо электричества для кодирования данных. Он может позволить чипу размером с монету выполнять процедуры, которые обычно делают техники в лабораториях.


Проект был разработан командой ученых из Университета Калифорнии в Ирвайне под руководством Эллиота Хьюи. Они опубликовали свою работу в журнале Science Advances в этом месяце. Разработка уже получила поддержку от Национального научного фонда США и Агентства перспективных исследований в области обороны.

Как это работает?

Устройство состоит из стеклянного и силиконового чипа, в котором вытравлены крошечные каналы. По ним течет жидкость, необходимая для химических реакций. Жидкость перемещается из одной стороны чипа в другую под действием разницы давления. Это имитирует то, как изменения напряжения заставляют электричество течь по проводам в электронных компьютерных чипах.

Ученые обозначили низкое, вакуумное давление как «1» и атмосферное давление как «0» и добавили крошечные клапаны, которые могут менять эти значения. Это превратило чип в пневматический компьютер. Для кодирования программ они использовали силиконовые листы в качестве «перфокарт», а для ввода данных нашли простой способ изменения давления — прикладывали пальцы к определенным точкам.

Самый сложный чип, который сделала команда, хранил четыре бита информации и выполнял процедуру, называемую последовательным разведением. Она определяет концентрацию химического вещества, растворенного в жидкости.

Ученые считают, что с появлением пневматического компьютерного чипа мы получим доступ к преимуществам так называемых микрофлюидных устройств, которые мы уже используем, например, в домашних тестах на covid-19, могут определять не только наличие вируса, но и его концентрацию.

Пневматический компьютер имеет ряд преимуществ перед электронным. Он не требует электричества и подходит для работы во влажных или опасных условиях. Он также может быть интегрирован с мягкими роботами, которые состоят из гибких материалов и способные выполнять наиболее деликатные задачи.

Он также позволяет снизить расход реагентов, достичь большей скорости и точности анализа при химическом анализе, а также обладает высокой энергоэффективностью и автономностью.

Недостатки технологии

Впрочем, пневматический компьютер также имеет и ряд ограничений. Он работает намного медленнее, по сравнению с обычными вычислительными устройствами и требует большого количества пространства для хранения информации. Для того чтобы система была практичной, требуются более сложные компоненты и миниатюризация. Также пока неясно, насколько надежным и долговечным покажет себя пневматический компьютер и как он может взаимодействовать с другими устройствами.

Научное и медицинское сообщество оценило пневматический компьютер как инновационное и перспективное изобретение, которое может открыть новые возможности для микрофлюидики и мягкой робототехники. Однако ему еще предстоит пройти много этапов развития и усовершенствования, прежде чем он станет широко доступным и применимым на практике.

Ранее другая команда ученых из Университета Калифорнии в Риверсайде под руководством Виллиама Гровера разработала пневматическую память для управления мягким роботом, который способен играть на пианино. Они опубликовали свою работу в журнале PLOS One в июле 2021 года и также получили поддержку от Национального научного фонда США.