Wetenschap
Wetenschappers maken gebruik van chemische dynamiek voor het oplossen van complexe problemen
Op het snijvlak van scheikunde en berekeningen hebben onderzoekers van de Universiteit van Glasgow een hybride digitaal-chemisch probabilistisch computersysteem ontwikkeld, gebaseerd op de Belousov-Zhabotinsky (BZ)-reactie, dat kan worden gebruikt voor het oplossen van combinatorische optimalisatieproblemen.
Door gebruik te maken van de inherente probabilistische aard van BZ-reacties, demonstreert het systeem opkomende gedragingen zoals replicatie en concurrentie die te zien zijn in complexe systemen, die doen denken aan levende organismen. Dit zou de weg kunnen vrijmaken voor nieuwe benaderingen van computertaken die versteld staan van de beperkingen die moderne berekeningen met zich meebrengen.
Het combineren van elektronische controle en chemische dynamica biedt een manier om efficiënte berekeningen uit te voeren, waarbij het beste van beide wordt gecombineerd voor de ontwikkeling van adaptieve, bio-geïnspireerde computerplatforms met ongeëvenaarde efficiëntie en schaalbaarheid.
Het onderzoek onder leiding van prof. Leroy Cronin, de Regius Chair of Chemistry aan de Universiteit van Glasgow, werd gepubliceerd in Nature Communications . Prof. Cronin sprak met Phys.org over hun werk en verklaarde zijn motivatie achter het nastreven van hetzelfde.
"Ik wilde zien of we een nieuw type chemisch informatieverwerkingssysteem konden maken, omdat ik geïnspireerd ben door hoe de biologie informatie in natte hersenen kan verwerken", zei hij.
Beperkingen van moderne computers
Modern computergebruik is afhankelijk van transistors, de bouwstenen van elektronische apparaten, die worden gebruikt om logische poorten en geheugencellen te creëren, die de basis vormen van digitale circuits. Maar de behoefte aan en de vraag naar meer rekenkracht betekent dat transistors steeds kleiner worden.
De miniaturisatie van transistors heeft verschillende beperkingen als gevolg van beperkingen die worden opgelegd door verzinsels en natuurkundige wetten. Hoe kleiner de transistor, hoe moeilijker hij te vervaardigen is. Er is meer stroom nodig, hij voert meer warmte af en is steeds minder energie-efficiënt.
Dit heeft ertoe geleid dat wetenschappers andere vormen van computergebruik hebben onderzocht, zoals kwantumcomputers, die weliswaar uiterst krachtig zijn in het oplossen van problemen. Klassieke computers kunnen echter geen last hebben van schaalbaarheidsproblemen als gevolg van foutcorrectie.
Aan de andere kant maakt berekening op basis van fysieke processen, zoals chemische reacties, gebruik van een combinatie van systemen zoals digitaal, chemisch en optisch. Dit opent nieuwe wegen voor onconventionele computerarchitecturen met mogelijkheden die verder gaan dan traditionele digitale systemen.
De BZ-reactie
De BZ-reactie is een klassiek voorbeeld van een chemische oscillator, waarbij de reactant- en productconcentraties periodieke veranderingen ondergaan. Het wordt waargenomen in veel chemische systemen, zoals laboratoriumomgevingen en biologische systemen.
Het vermogen van de BZ-reactie om complexe, niet-lineaire dynamieken te vertonen, maakt het een aantrekkelijke keuze voor het bestuderen van opkomende verschijnselen en onconventionele computerparadigma's.
In dit onderzoek dient de BZ-reactie als basis voor een hybride computersysteem vanwege zijn inherente oscillerende gedrag, aanpassingsvermogen en reactievermogen op externe stimuli. Door gebruik te maken van de dynamiek van BZ-reacties kunnen onderzoekers complex gedrag nabootsen dat voorkomt in natuurlijke systemen, waardoor een veelzijdig platform voor berekeningen ontstaat.
De concentraties kunnen dienen als binaire informatie (waarbij 0 lage concentraties is en 1 voor hoge concentraties) en de oscillerende concentraties kunnen dienen als tijdsafhankelijke variabelen. Bovendien kan informatie zich verspreiden tussen individuele cellen die BZ-reacties ondergaan, via processen zoals diffusie.
Prof. Cronin legde verder uit:"De reactie heeft twee toestanden aan en uit en elke box [of cel] in het netwerk kan onafhankelijk, synchroon of na communicatie knipperen. Dit is het proces waarmee het systeem kan worden geprogrammeerd om te berekenen een probleem dat vervolgens door de camera wordt uitgelezen."
Een hybride programmeerbare informatieprocessor
De kern van de informatieverwerker is een 3D-geprint raster van onderling verbonden reactoren. Elke reactor of cel herbergt de BZ-reactie, waardoor het een reeks BZ-reacties wordt.
De invoer naar deze array is elektronisch en wordt bestuurd door magnetische roerders die de reactie in deze cellen kunnen manipuleren. Er zijn ook grensvlakroerders die interacties tussen gekoppelde cellen kunnen vergemakkelijken (via diffusie), dit helpt de oscillaties te synchroniseren.
De onderzoekers merkten op dat de oscillaties van de reactant- en productconcentraties optreden als geforceerde gedempte oscillaties, waarbij de roerders een cruciale rol spelen bij het beheersen ervan.
Dit gedrag is een karakteristiek kenmerk van BZ-reacties, waarbij chemische soorten in de loop van de tijd periodieke concentratieveranderingen ondergaan. Deze veranderingen worden opgemerkt door de veranderingen in de kleur van de vloeistoffen.
De uitvoerverwerking omvat twee sleutelcomponenten:een convolutioneel neuraal netwerk (CNN) en een herkenningseindige toestandsmachine (rfsm). Deze componenten analyseren de reactant- en productconcentraties binnen de BZ-reactie, die worden vastgelegd met behulp van videocamera's.
De CNN classificeert de concentraties in afzonderlijke chemische toestanden, terwijl de rfsm op basis van deze classificatie de overeenkomstige chemische toestand bepaalt.
In eenvoudige bewoordingen worden de afzonderlijke chemische toestanden geclassificeerd en bepaald op basis van de concentraties van reactanten en producten binnen de BZ-reactie, die zelf probabilistisch zijn vanwege de aard van de reacties.
Het probabilistische karakter ontstaat omdat de BZ-reactie niet-lineair is, wat resulteert in complexe interacties tussen chemische soorten die inherente variabiliteit en onvoorspelbaarheid in hun gedrag in de loop van de tijd vertonen.
Het hele systeem werkt soepel en continu op basis van een feedbacklus op basis van de veranderende kleuren van de vloeistof. Wanneer de concentraties oscilleren, is het systeem "aan", aangegeven door blauwe kleuren en wanneer er geen oscillaties zijn, zijn de vloeistoffen rood, wat betekent dat het systeem "uit" is.
Deze lus manipuleert de roerders op basis van de kleuren en zorgt ervoor dat het proces continu verloopt met behulp van "geforceerde" of externe controle.
Chemische cellulaire automaten en het oplossen van optimalisatieproblemen
De onderzoekers gebruikten de hybride processor om zijn rekencapaciteiten te demonstreren door chemische cellulaire automaten (CCA) in 1D en 2D te implementeren.
Dit zijn wiskundige modellen om complexe systemen te simuleren die zijn samengesteld uit eenvoudige componenten die lokaal met elkaar interacteren volgens vooraf gedefinieerde regels.
Dit leidt tot opkomend gedrag zoals replicatie en concurrentie dat wordt vertoond door 'Chemits', dit zijn meercellige entiteiten die worden gedefinieerd door patronen van chemische concentraties binnen het raster van onderling verbonden reactoren die gastheer zijn van de BZ-reactie.
Dit gedrag lijkt op het gedrag dat wordt waargenomen bij levende organismen en draagt bij aan de complexiteit en het aanpassingsvermogen van het computersysteem.
Bovendien tonen de onderzoekers aan dat hun computationele aanpak, die zowel elektronische als chemische componenten omvat, op efficiënte wijze combinatorische optimalisatie-uitdagingen kan aanpakken, zoals het handelsreizigersprobleem.
Wat de toepassing betreft, kunnen dergelijke hybride systemen zeer nuttig zijn voor diepgaande leertaken waarvoor niet-lineair gedrag vereist is. Chemische systemen bieden inherent dergelijke kenmerken, waardoor hybride computerarchitecturen efficiënt gebruik kunnen maken van hulpbronnen voor specifieke problemen waarbij niet-lineariteiten en probabilistisch gedrag van cruciaal belang zijn.
Prof. Cornin voegde hieraan toe:"Ik zie dat een solid-state versie de hardware voor kunstmatige intelligentie zou kunnen vervangen en veel gemakkelijker zou kunnen worden getraind."
In de toekomst wil hij de miniaturisering van deze technologie onderzoeken en de omvang van het netwerk vergroten om werkelijk grote problemen op te lossen.