رایانه شیمیایی

""کامپیوترهای شیمیایی"" (به انگلیسی: Chemical Computer)، که به نام‌های کامپیوترهای واکنشی-انتشاری یا کامپیوترهای BZ (نام‌گذاری شده به یاد دانشمندان Belousov و Zhabotinsky) نیز شناخته می‌شوند، کامپیوترهایی خلاف عرف هستند که بر پایه‌ی یک ترکیب شیمیایی نیمه‌جامد به نام "سوپ" کار می‌کنند. در چنین کامپیوترهایی داده‌ها بر اساس غلظت این محلول نمایش داده می‌شوند. محاسبات نیز به صورت واکنش‌های شیمیایی اجرا می‌شوند. همان گونه که ملاحظه می‌شود، ورودی‌ها در این کامپیوترها، بر خلاف کامپیوترهای دودویی، می‌توانند به صورت آنالوگ باشند. تا کنون این کامپیوترها در مرحله‌ی آزمایشی هستند، ولی ممکن است در آینده کاربردهای فراوانی برای آن‌ها پیدا شود.

منطق

سادگی ذاتی این تکنیک عاملی‌ست که می‌تواند باعث برتری آن در مقابل رقیبانش شود. میکروپروسسورهای جدید ساختار بسیار پیچیده‌ای دارند و در هنگام ساخت ممکن است تنها به دلیل تغییرات جزئی در محیط دچار آسیب شوند. در میکروپروسسورهای سنتی حرکات بیت‌ها مثل حرکات ماشین‌ها در ترافیک است. به معنی این که آن‌ها تنها می‌توانند از مسیرهای مشخصی حرکت کنند، هنگام ترافیک در صف بایستند و در یک لحظه تنها می‌توانند در یکی از مسیرها باشند. این در حالی‌ست که در کامپیوترهای BZ، امواج می‌توانند در همه‌ی مسیرهای قابل تصور حرکت کنند: از میان یکدیگر، به صورت دورشونده یا نزدیک‌شونده. این ویژگی‌ها در کامپیوترهای BZ است که باعث می‌شود این کامپیوترها بتوانند میلیاردها برابر کامپیوترهای سنتی داده پردازش کنند. می‌توان این کامپیوترها را به مغز انسان‌ها تشبیه کرد. با این که سرعت انتقال داده در این پروسسورها بسیار بیش‌تر از نورون‌هاست، اما کارهایی هست که مغز سریع‌تر انجام می‌دهد. این به این دلیل است که مغز می‌تواند داده‌های بسیار بیش‌تری را در آن واحد پردازش کند.

تاریخچه

در آغاز واکنش‌های شیمیایی تنها به عنوان قدمی به سمت تعادل دیده می‌شدند، که قاعدتاً انتخاب خوبی برای انجام محاسبات نبودند. این دیدگاه با کشف بوریس پاولویچ بلوسوف، دانشمندی اهل شوروی، در سال 1950 تغییر کرد. او واکنشی شمیایی میان نمک‌ها اسیدها تولید کرد که بین رنگ‌های زرد و آبی دائماً در حال گردش است. این رخداد به این دلیل است که غلظت مواد در محلول به صورت نوسانی در حال تغییر است. در آن زمان این امر به نظر غیرممکن می‌رسید، زیرا قانون دوم ترمودینامیک را نقض می‌کرد؛ این قانون می‌گوید که آنتروپی در یک سیستم بسته تنها می‌تواند بیش‌تر شود. این به این معناست که اجزای محلول آن‌قدر پخش می‌شوند تا تعادل برقرار شود. در این صورت امکان تغییر غلظت وجود ندارد. تحلیل‌های نظری که امروزه انجام می‌شود نشان داده است که واکنش‌های شیمیاییِ به اندازه‌ی کافی پیچیده می‌توانند باعث پدیده‌های موجی شوند، که تناقضی با قوانین طبیعت ندارد. یک مثال واضح و مرئی توسط بلوسوف و ژابوتینسکی به حقیقت پیوست که امواجی مارپیچی از رنگ‌های متفاوت را نمایان می‌کند. خواص موجی واکنش BZ به این معناست که می‌تواند اطلاهعات را همچون هر موج دیگری منتقل کند. پس تنها احتیاج به طراحی روشی برای محاسبات وجود دارد. در کامپیوترهای دودویی، این محاسبات در میکروچیپ‌ها توسط ترکیبی پیچیده از گِیت‌ها منطقی انجام می‌شود. در این سیستم اثبات می‌شود که گِیت NAND (گِیتی که به ازای دو ورودی یک مقدار صفر، و به ازای هر ترکیب دیگری مقدار یک را می‌دهد) برای پیاده‌سازی هر ترکیبی کافی‌ست. در کامپیوترهای شیمیایی گِیت‌های منطقی به صورت انسداد و تشدید موج‌های غلظت توسط یکدیگر پیاده‌سازی می‌شوند. این واکنش‌های شیمیایی در محیط عملیاتی مولکولی (Molecular Operating Environment (MOE)) انجام می‌شود.

محیط عملیاتی مولکولی (MOE)

این محیط عملیاتی یک پلتفرم نرم‌افزاری اکتشاف دارو می‌باشد که تصویرسازی، مدل‌سازی و شبیه‌سازی، و همچنین توسعه‌ی متدولوژی، را در یک پکیج یکپارچه می‌کند. MOE روی سیستم عامل‌های ویندوز، لینوکس، یونیکس، و مَک کار می‌کند. زبان فرماندهی، برنامه‌نویسی و توسعه‌ی نرم‌افزار MOE، زبان عملی برداری (Scientific Vector Language (SVL)) می‌باشد. با استفاده از این زبان، حجم کدنویسی نسبت به زبان‌های C و FORTRAN یک‌دهم می‌شود.

تحقیقات امروزی

در سال 1989 چگونگی پردازش تصاویر با واکنش‌های شیمیاییِ حساس به نور نشان داده شد. این امر یک صعود ناگهانی را در زمینه‌ی کامپیوترهای شیمیایی موجب شد. اندرو آداماتزکی در یکی از دانشگاه‌های انگلستان (The University of the West of England) به گِیت‌های منطقی ساده با استفاده از فرآیندهای واکنشی-انتشاری دست یافته است. همچنین او به صورت نظری نشان داد که می‌توان با مدل‌سازی “2+ medium” محاسبات را انجام داد. او از یک مقاله درباره‌ی محسابات توسط توپ‌های بیلیارد الهام گرفت. بر اساس این مقاله، دو توپ نمایانگر دو بیت مختلف هستند. به طور مثال برای گِیت AND اگر هر دو توپ به یک نقطه برخورد کنند، خروجی یک، و در غیر این صورت خروجی صفر است. برخورد تنها زمانی رخ می‌دهد که هر دو توپ به یک نقطه پرتاب شوند. مشابه این روش در علوم الکترونیک نیز استفاده می‌شود. آداماتزکی این اصل را به مواد شمیایی BZ منتقل کرد و توپ‌های بیلیارد را با امواج جایگزین نمود: اگر دو موج در محلول برخورد کنند موج سومی تولید می‌کنند که به عنوان "یک" دیده می‌شوند. او این نظریه را به صورت عملی آزمایش کرده و در حال تلاش برای تولید یک ماشین حساب شیمیایی جیبی‌ست که از هزاران نسخه‌ی شیمیایی گِیت‌های منطقی ساخته شده است. یک از مشکلات نسخه‌ی کنونی این تکنولوژی سرعت امواج است؛ آن‌ها به سرعت تنها چند میلی‌متر در دقیقه نشر پیدا می‌کنند. به گفته‌ی آداماتزکی این مشکل با نزدیک کردن گِیت‌ها حل می‌شود. در این صورت سیگنال‌ها به سرعت انتقال می‌یابند. یک راه حل دیگر می‌تواند واکنش‌های شیمیایی جدیدی باشد که در آن‌ها سرعت نشر امواج بیش‌تر باشد. در سال 2014 یک سیستم محاسبات شیمیایی توسط یک گروه بین‌المللی به رهبری آزمایشگاه‌های فدرال سوییس برای علوم و تکنولوژی مواد (Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology (Empa)) تولید شد. این کامپیوتر شیمیایی برای یافتن کارآمدترین مسیر میان دو نقطه، از محاسبات کشش سطحی برگرفته از اثر مارانگونی با استفاده از یک ژل اسیدی بهره می‌گیرد؛ این سیستم توانست از یک سیستم مسیریاب ماهواره‌ای جلو بزند. در سال 2015 فارغ‌التحصیلان دانشگاه استنفورد کامپیوتری با استفاده از میدان‌های مغناطیسی و قطرات آبِ پُرشده از نانوذرات مغناطیسی ساختند. این کامپیوتر بعضی از اصول پایه‌ای یک کامپیوتر شیمیایی را نمایش می‌دهد. در سال 2015 دانشجویان دانشگاه واشینگتون زبان برنامه‌نویسی برای واکنش‌های شیمیایی تولید کردند. لازم به ذکر است این زبان ابتدائاً برای آنالیز DNA طراحی شده بود. در این کامپیوتر از شبکه‌های واکنش‌های شیمیایی به عنوان زبان برنامه‌نویسی استفاده شده است. پس معماری DNA در اصل می‌تواند هر رفتار ریاضی را توصیف کند. اجزای کنترلی در این کامپیوتر می‌توانند از DNA طبیعی باشند که باعث کاهش چشم‌گیر خطا در مقابل استفاده از DNAهای شیمیایی مصنوعی می‌شود.