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Jun 23, 2023

Der pneumatische Computer verwendet Druck anstelle von Elektrizität

Ein Computerchip aus Glas und Silikon hält Flüssigkeiten, die sich von einer Seite bewegen

Ein Computerchip aus Glas und Silikon enthält Flüssigkeiten, die sich als Reaktion auf Druckänderungen von einer Seite des Chips zur anderen bewegen. Dies wurde verwendet, um miniaturisierte biochemische Experimente zu steuern und zu automatisieren

Von Karmela Padavic-Callaghan

2. Juni 2023

Ein Computerchip aus Glas und Silikon mit Kanälen, die Flüssigkeiten aufnehmen

Hui Lab an der UC Irvine

Ein pneumatischer Computer aus Glas und Silikon nutzt Druck statt Elektrizität, um Daten zu kodieren. Es kann einem Chip-großen Gerät die Durchführung von Verfahren ermöglichen, die normalerweise von Technikern in Laboren durchgeführt werden.

Lab-on-a-Chip-Geräte werden seit Jahrzehnten als kleinere, günstigere und tragbare Alternative zur manuellen Durchführung routinemäßiger Biochemie mit klobigen Glasgeräten angestrebt. Während einige biochemische Experimente miniaturisiert wurden – einschließlich wachsender Zellkulturen und winziger Organe – erfordern die meisten dieser Geräte viel mehr Ausrüstung als nur einen Chip.

„Sie könnten den Chip in der Hand halten und alles würde auf diesem Chip passieren, aber wenn Sie herauszoomen, würden Sie eine kühlschrankgroße Box sehen, die ihn steuert. Das ist nicht wirklich ein Labor auf einem Chip.“ sagt Elliot Hui von der University of California, Irvine. Er und seine Kollegen machten sich daran, diesen riesigen Kasten durch einen winzigen Computer zu ersetzen, der keinen Strom benötigt und in jedes Lab-on-a-Chip passt.

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Sie legten eine 0,25 Millimeter dicke Silikonplatte zwischen zwei dünne Glasscheiben. Sie ätzten winzige Kanäle in das Glas, durch die die für chemische Reaktionen benötigten Flüssigkeiten fließen konnten, und stanzten dann kleine Löcher in die Silikonschicht, um die Kanäle zwischen den beiden Scheiben zu verbinden.

Druckunterschiede drückten Flüssigkeiten durch die Kanäle, was der Art und Weise nachahmt, wie Spannungsänderungen dazu führen, dass Strom durch Drähte in elektronischen Computerchips fließt. Sie bezeichneten den Tiefdruck, den Vakuumdruck, als „1“ und den Atmosphärendruck als „0“ und fügten winzige Ventile hinzu, die die beiden Werte vertauschen können. Dadurch wurde aus dem Chip ein pneumatischer Computer.

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Um Programme zu programmieren, verwendeten sie verschiedene Silikonfolien als „Lochkarten“ und zur Eingabe von Daten fanden sie eine einfache Methode, den Druck zu ändern: Sie legten ihre Finger auf bestimmte Punkte.

Der komplexeste Chip, den das Team herstellte, enthielt vier Informationsbits und führte ein Verfahren namens serielle Verdünnung durch, das die Konzentration einer in einer Flüssigkeit gelösten Chemikalie bestimmt. Normalerweise würde ein Forscher die Flüssigkeit immer wieder von einem Glaszylinder zum anderen pipettieren, aber der Chip erledigte dies autonom und im Miniaturformat, indem er vorprogrammierte Schritte befolgte. Hui sagt, dass mit der Hinzufügung eines pneumatischen Computerchips sogenannte mikrofluidische Geräte, die wir bereits verwenden, wie z. B. Covid-19-Tests zu Hause, nicht nur feststellen könnten, ob ein Virus vorhanden ist, sondern auch in welcher Konzentration.

William Grover von der University of California, Riverside, sagt, dass die Automatisierung von Chips ohne externe Elektronik unglaublich nützlich sei. „Dieser Ansatz kann 99 Prozent der Kosten einiger mikrofluidischer Instrumente einsparen und sie kleiner und einfacher zu bauen machen“, sagt er.

Wenn diese Technologie rechnerisch weit genug fortgeschritten ist, könnte sie als Standardprodukt in der Biomedizin für Experimente mit vielen Eingaben nützlich sein, wie zum Beispiel das Züchten von Gewebe auf Chips, sagt Albert Folch von der University of Washington in Seattle. Er sagt, dass Ventile im pneumatischen Computer noch nicht alles können, was Transistoren in Elektronikchips leisten, aber die Rechenleistung des pneumatischen Computers wird in Zukunft wahrscheinlich zunehmen.

Pneumatikcomputer könnten miniaturisierte biochemische Labore steuern, sie könnten aber auch zum „Gehirn“ für Soft-Roboter werden, sagt Siavash Ahrar von der California State University in Long Beach, der an dem Projekt mitgearbeitet hat. Luft und Druck werden bereits verwendet, um einige Roboter in Bewegung zu setzen, und jetzt könnten sie auch verwendet werden, um Robotern durch einfache Berechnungen bei der Entscheidungsfindung zu helfen, sagt er.

Zeitschriftenreferenz:

Wissenschaftliche Fortschritte DOI: 10.1126/sciadv.adg0201

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