Chemiczne komputery z mikrokropel łatwiej uczyć niż projektować

Naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie we współpracy z Instytutem Fizyki PAN i Uniwersytetem w Jenie opracowali koncepcję prostego komputera chemicznego z mikrokropel, zdolnego do przeszukiwania bazy danych. Symulacje komputerowe, przeprowadzone na bazie danych o nowotworach złośliwych, potwierdziły słuszność przyjętej, nowej strategii projektowania, co otwiera drogę do upowszechnienia chemicznych metod przetwarzania informacji. W odpowiednich warunkach we wnętrzu kropli mogą zachodzić oscylujące reakcje chemiczne. Jeśli kropel jest więcej i się stykają, powstające fale chemiczne są w stanie przeniknąć do sąsiednich kropel i rozchodzą się w całym kompleksie. Zjawisko jest znane, próbuje się je używać m.in. do chemicznego przetwarzania informacji. To, co dzieje się z informacją w układzie wielu kropel, ściśle zależy m.in. od ich rozmieszczenia względem siebie. Dotychczas nie bardzo było wiadomo, jak projektować kształt kompleksów mikrokropel, by te realizowały konkretne zadania. W Instytucie Chemii Fizycznej PAN (IChF PAN) w Warszawie zaproponowano więc nowatorską strategię działania. Zamiast mozolnie projektować złożone układy mikrokropel do określonego celu, lepiej najpierw wyprodukować układ, a potem spróbować nauczyć go czegoś użytecznego.

Badania nad chemicznym przetwarzaniem informacji przez układy mikrokropel, finansowane ze środków Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego, Fundacji na rzecz Nauki Polskiej i Unii Europejskiej, przeprowadzono z użyciem reakcji oscylacyjnej Biełousowa-Żabotyńskiego. Gdy odpowiednio dobierze się warunki tej reakcji, w reagującym roztworze pojawia się front chemiczny, wędrujący w przestrzeni. „W przypadku reakcji Biełousowa-Żabotyńskiego przejściu frontu chemicznego towarzyszą zmiany stężeń jonów prowadzące do zmiany koloru roztworu. Gdy reakcja zachodzi wewnątrz kropli, pod mikroskopem widać w niej wyraźne, rozchodzące się na wszystkie strony pulsy. Im większa kropla, tym częściej pulsuje”, wyjaśnia doktorant Konrad Giżyński (IChF PAN). Chemiczne pulsy w układzie stykających się kropel rozchodzą się w nim bardzo podobnie jak pobudzenia elektryczne we włóknach nerwowych. Naukowcy z IChF PAN użyli częstotliwości pulsów w poszczególnych kroplach do kodowania informacji: duża częstotliwość odpowiadała wartości TRUE, mała – wartości FALSE. W celu kontrolowania pulsów, a więc m.in. do wprowadzania danych, wykorzystano wrażliwość reakcji zachodzących w kroplach na niebieskie światło: w oświetlonych nim kroplach reakcje całkowicie zamierają. Za pomocą symulacji komputerowych zbadano możliwości obliczeniowe płaskiej matrycy stykających się mikrokropel ułożonych w kwadrat 5×5. W obrębie matrycy wyróżniono krople do wprowadzania danych oraz krople przetwarzające informację. Dane wprowadzano symulując odpowiednio długie naświetlanie kropel wejściowych. Uczenie polegało na selektywnym wstrzymywaniu reakcji zachodzących w kroplach (w rzeczywistym układzie wstrzymywanie także odbywałoby się za pomocą światła). Za podającą odpowiedź naukowcy uznawali tę kroplę, której oscylacje najlepiej zgadzały się z poprawną odpowiedzią. Celem procesu uczenia było takie dobranie czasów oświetlenia wszystkich kropli w układzie, aby otrzymać największą liczbę dobrych odpowiedzi dla wszystkich rekordów w bazie.

Symulowana matryca oscylujących mikrokropel klasyfikowała nowotwory opisane w bazie CANCER. Baza ta składa się z 699 rekordów, wśród których 66% odpowiadało komórkom nowotworów łagodnych. Oznacza to, że mówiąc w ciemno na widok kolejnego wpisu: „Nie przejmuj się, twój nowotwór nie jest złośliwy” mamy 66% szansy na poprawną odpowiedź. „Nasz chemiczny komputerek odpowiadał poprawnie w ponad 90% przypadków. To bardzo dobry wynik, dowodzący skuteczności przyjętej przez nas strategii. Nie jest całkowicie jednoznaczny, ale nawet komputer klasyczny nie musi dać właściwej odpowiedzi dla przypadków spoza bazy. Zresztą i my, ludzie, także nie zawsze podejmujemy właściwe decyzje”, mówi prof. Górecki. (kk)

(http://ichf.edu.pl/, 14.10.2015)