Οι υπολογιστές του μέλλοντος που θα αλλάξουν την πληροφορική

Οι υπολογιστές του μέλλοντος που θα αλλάξουν την πληροφορική

Μια από τις πλέον ενδιαφέρουσες κατευθύνσεις προς τις οποίες κινείται η έρευνα στον χώρο της επιστήμης υπολογιστών αφορά την ανάπτυξη των λεγόμενων χημικών υπολογιστών ή υπολογιστών αντίδρασης – διάχυσης. Πειραματικά πρωτότυπα των διατάξεων αυτών, οι οποίες βασίζονται στην ανορθόδοξη συμπεριφορά υγρών μιγμάτων ορισμένων χημικών ενώσεων, έχουν αποδειχθεί λειτουργικά και θεωρείται ότι μπορούν να αποτελέσουν τη βάση για τη δημιουργία ισχυρών παράλληλων επεξεργαστών. Η δυνητική αξιοποίηση των χημικών υπολογιστών αφορά ποικίλες εφαρμογές, από την επεξεργασία εικόνας και τη γεωμετρία προσανατολισμού για την αυτόνομη κίνηση ρομπότ μέχρι την ανάπτυξη μιας εντελώς νέας γενιάς αναπρογραμματιζόμενων και αυτοεπισκευαζόμενων μικροεπεξεργαστών.

Η λέξη hardware είναι μέχρι στιγμής συνώνυμο των κάθε είδους επεξεργαστών που καθιστούν δυνατή τη λειτουργία των υπολογιστών. Εάν οι εργασίες των ερευνητών για την ανάπτυξη των λεγόμενων χημικών υπολογιστών αποδώσουν καρπούς, θα μιλούμε πλέον (και) για wet-ware ή για υπολογιστές με “υγρούς” εγκεφάλους. Οι χημικοί υπολογιστές (chemical computers) ή υπολογιστές RD (Reaction-Diffusion, Αντίδρασης-Διάχυσης) αποτελούν ίσως τον πλέον επιτυχημένο εκπρόσωπο της κατηγορίας των “μη συμβατικών” υπολογιστών, η έρευνα για την ανάπτυξη των οποίων εμπνέεται από τις θεωρίες και τις ανακαλύψεις των φυσικών και βιολογικών επιστημών ή από υποδείγματα του φυσικού κόσμου (κβαντικοί υπολογιστές, υπολογιστές DNA, υπολογιστές field and swarm κλπ.).

Οι πειραματικές διατάξεις χημικών υπολογιστών που έχουν κατασκευαστεί μέχρι στιγμής για την απόδειξη/επίδειξη των αρχών λειτουργίας τους, βασίζονται σε άμορφα, υγρά μίγματα χημικών ενώσεων και στις αντιδράσεις που πραγματοποιούνται στο εσωτερικό τους υπό την επίδραση εξωτερικών ερεθισμάτων που λειτουργούν ως καταλύτης. Το πλεονέκτημα που φαίνεται να διαθέτουν οι χημικοί υπολογιστές είναι ακριβώς η επιτυχημένη λειτουργία των πειραματικών αυτών πρωτοτύπων (χωρίς βέβαια αυτό να σημαίνει ότι επίκειται άμεσα η ανάπτυξη πρακτικών διατάξεων).

Οι χημικοί υπολογιστές υπόσχονται πολλά και ενδιαφέροντα πράγματα σε δυο βασικούς τομείς: την ανάπτυξη τεχνητής νοημοσύνης για ρομπότ και την ανάπτυξη μιας νέας γενιάς επεξεργαστών που επιτρέπουν την παράλληλη εισαγωγή δεδομένων, την ταχύτατη παράλληλη επεξεργασία τους και την παράλληλη εξαγωγή αποτελεσμάτων.

Το φυσικό (ή φυσικοχημικό) φαινόμενο πάνω στο οποίο βασίζεται η λειτουργία των χημικών υπολογιστών είναι μια κατηγορία χημικών αντιδράσεων γνωστών ως αντιδράσεων BZ (Belousον – Zhabotinsky) από τα ονόματα των επιστημόνων που τις πραγματοποίησαν και μελέτησαν τα χαρακτηριστικά τους. Η ελεγχόμενη διεξαγωγή των χημικών αυτών αντιδράσεων συνοδεύεται από την παραγωγή και διάδοση οπτικών κυματομορφών στο εσωτερικό των μιγμάτων, η κατάλληλη αλληλεπίδραση των οποίων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκτέλεση πολύπλοκων υπολογιστικών λειτουργιών.

Οι φυσικοχημικές αντιδράσεις

Οι αντιδράσεις Belousov – Zhabotinsky αποτελούν φυσικοχημικά φαινόμενα με ιδιαίτερη θεωρητική σημασία, αλλά και σημαντικές δυνητικές εφαρμογές. Πρόκειται για μια κατηγορία ασυνήθιστων χημικών αντιδράσεων οι οποίες λαμβάνουν χώρα όταν υγρά μίγματα χημικών ενώσεων διεγερθούν υπό την επίδραση εξωτερικού ερεθίσματος και έχουν ως αποτέλεσμα τη δημιουργία μη γραμμικών “χημικών” ταλαντωτών (non-linear chemical oscillators). Το κοινό χαρακτηριστικό των εν λόγω μιγμάτων είναι ότι όλα περιλαμβάνουν ένα καρβοξυλικό οξύ και ενώσεις βρωμίου.

Η θεωρητική σημασία (και ιδιομορφία) των αντιδράσεων ΒΖ έγκειται στο ότι φαίνεται να παραβιάζουν την αρχή της θερμοδυναμικής ισορροπίας. Σύμφωνα με το 2ο αξίωμα της θερμοδυναμικής, η εντροπία ενός κλειστού συστήματος δεν μπορεί παρά να αυξάνεται με την πάροδο του χρόνου με τελικό αποτέλεσμα την επίτευξη μιας κατάστασης ισορροπίας όπου κάθε μεταβολή είναι αδύνατη. Σύμφωνα με την αρχή αυτή, μια χημική αντίδραση δεν αποτελεί παρά απλή μεταβατική κίνηση προς μια κατάσταση ισορροπίας.

Όμως, οι αντιδράσεις ΒΖ εξελίσσονται με επαναληπτικό τρόπο για αρκετό χρονικό διάστημα χωρίς να υπακούουν στην αρχή της θερμοδυναμικής ισορροπίας. Από το γεγονός αυτό προκύπτει η θεωρητική σημασία τους, καθώς μπορούν να αποτελέσουν ένα χρήσιμο χημικό μοντέλο για τη μελέτη πολύπλοκων βιολογικών φαινομένων, τα οποία φαίνονται επίσης να παραβιάζουν την αρχή της θερμοδυναμικής ισορροπίας. Αλλά και η δημιουργία του μαθηματικού μοντέλου το οποίο περιγράφει την εξέλιξη των αντιδράσεων (και κυρίως των κυματομορφών που εμφανίζονται κατά τη διεξαγωγή τους) έχει επίσης σημαντικό ενδιαφέρον.

Ενα βασικό χαρακτηριστικό των χημικών ενώσεων που χρησιμοποιούνται για την πραγματοποίηση των αντιδράσεων ΒΖ είναι η ιδιότητα της διεγερσιμότητας (excitability): υπό την επενέργεια κάποιου εξωτερικού ερεθίσματος, ένα συγκεκριμένο μίγμα χημικών ενώσεων, το οποίο υπό κανονικές συνθήκες θα ήταν εντελώς αδρανές, “διεγείρεται” και μια σειρά χημικών αντιδράσεων ξεκινά στο εσωτερικό του, με αποτέλεσμα τη διαδοχική και κυκλικά επαναλαμβανόμενη αυξομείωση της συγκέντρωσης ορισμένων συστατικών του, φαινόμενο που διαρκεί για κάποιο χρονικό διάστημα. Η μεταβολή αυτή μπορεί να παρατηρηθεί οπτικά καθώς το χρώμα του μίγματος αλλάζει αντίστοιχα.

Η ανακάλυψη του φαινομένου αποδίδεται στον Ρώσο επιστήμονα Boris Belousoν και έλαβε χώρα κατά τη δεκαετία του 1950 (η ακριβής ημερομηνία ποικίλλει από το 1951 έως το 1958, ανάλογα με τις πηγές). Ο Belousον παρατήρησε ότι η εισαγωγή ενός καταλύτη σε ένα μίγμα βρωμικού καλίου, θειούχου δημητρίου, κιτρικού οξέος και αραιού θειϊκού οξέος, είχε ως αποτέλεσμα την περιοδική αυξομείωση του λόγου της συγκέντρωσης ιόντων τρισθενούς και τετρασθενούς δημητρίου [Ce(III)+ και Ce(IV)+].

Το δημήτριο (cerium, χημ. σύμβολο Ce) είναι μεταλλικό στοιχείο το οποίο ανήκει στη σειρά των λανθανιδών. Η μεταβολή της συγκέντρωσης των ιόντων δημητρίου στις παραπάνω αντιδράσεις είχε ως αποτέλεσμα την αλλαγή του χρώματος του εν λόγω μίγματος από κίτρινο σε λευκό/διαφανές και τανάπαλιν (τα άλατα του τετρασθενούς δημητρίου έχουν κίτρινο έως πορτοκαλί χρώμα, ενώ του τρισθενούς κυρίως λευκό). Υστερα από δύο αποτυχημένες προσπάθειες να δημοσιεύσει τις παρατηρήσεις του (οι οποίες απορρίφθηκαν με το αιτιολογικό ότι ήταν επιστημονικά αστήρικτες), ο Belousον απογοητευμένος παραιτήθηκε από την περαιτέρω επιστημονική έρευνα. Λέγεται ότι ο καθηγητής βιοχημείας S. Schnoll τον παρότρυνε να συνεχίσει την εργασία του αλλά ο Belousον αρνήθηκε και απλώς του γνωστοποίησε τις λεπτομέρειες της σύστασης του μίγματος.

Τη συνέχιση της εργασίας του Belousον ανέλαβε ο Α.Μ. Zhabotinsky, μεταπτυχιακός φοιτητής τότε, ο οποίος υπό την καθοδήγηση του καθηγητή Schnoll, επανέλαβε το 1961 την αντίδραση του Belousoν και επιπλέον μελέτησε άλλα μίγματα με παρόμοια συμπεριφορά. Ούτε όμως τα αποτελέσματα της εργασίας του Zhabotinsky έγιναν ευρέως γνωστά στην επιστημονική κοινότητα (οι δυτικοί επιστήμονες δεν ενημερώθηκαν για τις έρευνες των Belousov-Zhabotinsky παρά το 1968 κατά τη διάρκεια μιας επιστημονικής συνόδου στην Πράγα).

Στην αντίδραση που πραγματοποίησε ο Zhabotinsky χρησιμοποίησε ένα μίγμα διαλυμάτων των εξής ενώσεων: τριοξειδίου του βρωμικού καλίου, μαλονικού οξέος, βρωμικού καλίου, θειϊκού οξέος και μιας ένωσης δημητρίου και νιτρικής αμμωνίας. Υστερα από την εκκίνηση των αντιδράσεων, το χρώμα του μίγματος άλλαζε διαδοχικά από πράσινο αρχικά, σε κυανό και κόκκινο και η διαδικασία επαναλαμβανόταν ξανά. Ας σημειωθεί ότι στην αρχική του αντίδραση ο Belousον είχε χρησιμοποιήσει κιτρικό οξύ στη θέση του μαλονικού οξέος, ενώ αργότερα ανακαλύφθηκε ότι μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν και άλλα καρβοξυλικά οξέα. Επιπλέον, το δημήτριο μπορούσε να αντικατασταθεί από μαγγάνιο.

Οι αντιδράσεις ΒΖ, αποτελούν ουσιαστικά μια επαναλαμβανόμενη αλληλουχία τριών σειρών αντιδράσεων (κάθε μια από τις οποίες εξελίσσεται με βάση έναν συγκεκριμένο συνδυασμό μορίων και ιόντων) η οποία ξεκινά με την επίδραση ενός ερεθίσματος (καταλύτη) ή λόγω κάποιας τοπικής μεταβολής της συγκέντρωσης των συστατικών του μίγματος.

Τα προϊόντα της πρώτης σειράς των αντιδράσεων προκαλούν την έναρξη της δεύτερης σειράς, τα προϊόντα αυτής την έναρξη της τρίτης και τα προϊόντα αυτής την έναρξη της πρώτης, και ο κύκλος επαναλαμβάνεται. Λόγω των διαδοχικών χημικών αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα, αλλάζει διαδοχικά και το χρώμα του μίγματος κατά τη διάρκεια της διαδικασίας, με αποτέλεσμα την παρατηρούμενη κυκλική εναλλαγή των χρωμάτων. Σήμερα, είναι γνωστοί αρκετοί συνδυασμοί ενώσεων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εκτέλεση των αντιδράσεων BZ.

Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό του τρόπου με τον οποίο εξελίσσεται μια αντίδραση BZ, προκύπτει από το ότι η εκκίνηση της αντίδρασης σε ένα σημείο (περιοχή) του μίγματος προκαλεί την αυτόματη διάδοση/διάχυσή της προς τις γειτονικές περιοχές, οι οποίες επίσης αρχίζουν να αντιδρούν.

Έτσι λοιπόν, μετά την έγχυση μιας λεπτής στρώσης του μίγματος σε κατάλληλη επίπεδη επιφάνεια, π.χ. σε έναν δίσκο Petri (πρόκειται για τον ρηχό γυάλινο ή πλαστικό δίσκο με χείλη που χρησιμοποιείται στα εργαστήρια βιολογίας για την καλλιέργεια κυττάρων, βακτηρίων κλπ.), η τοπική διέγερση ενός σημείου (περιοχής) του μίγματος δημιουργεί μια κηλίδα μεταβαλλόμενου χρώματος η οποία στη συνέχεια φαίνεται να μεγεθύνεται (καθώς η αντίδραση διαδίδεται στις γειτονικές περιοχές) λαμβάνοντας τη μορφή μιας σειράς ομόκεντρων δακτυλίων ή σπειρών εναλλασσόμενων χρωμάτων, που κινούνται προς τα έξω”, κατά τρόπο ανάλογο με τους δακτυλίους που σχηματίζονται κατά τη πτώση μιας πέτρας στην ήρεμη επιφάνεια του νερού.

Πρόκειται δηλαδή για διαδοχικά κύματα εναλλασσόμενων χρωμάτων, η δημιουργία των οποίων συνεχίζεται μέχρι να καταναλωθούν οι χημικά δραστικές ενώσεις του μίγματος και η συγκέντρωση των προϊόντων τους να εμποδίσει την παραπέρα συνέχιση της αντίδρασης.

Αυτή η ιδιότητα κίνησε το ενδιαφέρον ερευνητών όπως οι A. Adamatzky, B.De Lacy Costello, T. Asai, οι οποίοι παρατήρησαν ότι προσδιορίζοντας την κατεύθυνση και την ταχύτητα διάδοσης των κυμάτων των αντιδράσεων ΒΖ θα μπορούσαν να επιλύσουν μια σειρά προβλημάτων που απαιτούν σημαντική υπολογιστική ισχύ και επιπλέον ότι η ελεγχόμενη (με διάφορους τρόπους) δημιουργία τους θα μπορούσε στο μέλλον να οδηγήσει στην ανάπτυξη μιας νέας γενιάς “χημικών” μικροεπεξεργαστών.

Υγροί εγκέφαλοι, ρομπότ και παράλληλοι επεξεργαστές

Η χρησιμοποίηση των κυματομορφών που δημιουργούνται κατά τη διάρκεια των αντιδράσεων ΒΖ για την επίλυση προβλημάτων που απαιτούν σημαντική υπολογιστική ισχύ, είχε ήδη διαπιστωθεί ως θεωρητική δυνατότητα εδώ και δύο περίπου δεκαετίες. Η πρώτη πρακτική εφαρμογή των υπολογιστικών δυνατοτήτων των εν λόγω χημικών αντιδράσεων, αφορούσε την επίλυση του προβλήματος της εύρεσης της συντομότερης διαδρομής μέσα σε έναν λαβύρινθο. Η επίλυση αυτού του προβλήματος με τη χρήση συμβατικού υπολογιστή είναι πολύπλοκη, καθώς το πρόγραμμα που θα χρησιμοποιηθεί, είναι υποχρεωμένο να δοκιμάσει όλες τις εναλλακτικές λύσεις/διαδρομές για την επιλογή της μικρότερης.

Όπως παρατήρησαν όμως ερευνητές στις ΗΠΑ, η “διάχυση” (diffusion) των αντιδράσεων ΒΖ στη μάζα του μίγματος, ξεκινώντας από ένα σημείο αφετηρίας (δηλαδή από τη θέση του στοιχειώδους όγκου του μίγματος που θα διεγερθεί) μέχρι οποιοδήποτε σημείο της επιφάνειας στην οποία “απλώνεται” το μίγμα, συντελείται ακολουθώντας τη συντομότερη διαδρομή. Με βάση την παρατήρηση αυτή τοποθέτησαν μέσα σε ένα ρηχό επίπεδο δοχείο τοιχώματα από πλαστικό υλικό, κατασκευάζοντας έτσι έναν τεχνητό λαβύρινθο.

Μετά την έγχυση του κατάλληλου μίγματος χημικών ενώσεων στο δοχείο, κατηύθυναν το φως μιας πηγής σε ένα σημείο του μίγματος. Το φως, λειτουργώντας ως καταλύτης, πυροδότησε την εκκίνηση των αντιδράσεων ΒΖ. Παρακολουθώντας (φωτογραφίζοντας) στη συνέχεια τη διάδοση των δημιουργούμενων κυμάτων, οι ερευνητές ήταν σε θέση να προσδιορίσουν τη συντομότερη διαδρομή μεταξύ οποιουδήποτε σημείου του λαβυρίνθου και του σημείου εκκίνησης των αντιδράσεων.

Όμως, ο παραπάνω τρόπος επίλυσης του προβλήματος υποδήλωνε ταυτόχρονα και τον βασικό περιορισμό της χρήσης των αντιδράσεων BZ ως υπολογιστικών διατάξεων. Προϋπόθεση για τον προσδιορισμό της συντομότερης διαδρομής εντός του λαβυρίνθου, ήταν αυτός να αναπαρασταθεί πρώτα φυσικά (με την κατασκευή του από πλαστικά τοιχώματα), για να ακολουθήσει στη συνέχεια η έγχυση του μίγματος, η εκκίνηση των αντιδράσεων και η διενέργεια υπολογισμών με βάση τον τρόπο διάδοσης των κυμάτων. Η προϋπόθεση της φυσικής αναπαράστασης ενός προβλήματος για την αξιοποίηση των αντιδράσεων BZ ως εργαλείου υπολογισμών αποτελεί προφανώς μεγάλο εμπόδιο, ιδίως στην περίπτωση πολύπλοκων και σύνθετων προβλημάτων.

Από την άλλη πλευρά, το γεγονός της δημιουργίας έγχρωμων κυματομορφών καθιστά εφικτό τον συσχετισμό των αντιδράσεων ΒΖ με συμβατικές οπτικές διατάξεις οι οποίες μπορούν με τη σειρά τους να ενεργοποιήσουν ηλεκτρομηχανικούς σερβομηχανισμούς. Όπως είχαν ήδη υποδείξει Αμερικανοί ερευνητές από το 1989, ήταν δυνατή η χρησιμοποίηση φωτοδιεγειρόμενων χημικών ενώσεων για την επεξεργασία εικόνας (image processing). Αυτά τα δεδομένα αξιοποίησε ο Andrew Adamatzky καθηγητής στη σχολή Υπολογιστών, Μηχανολογίας και Μαθηματικών Επιστημών του Πανεπιστημίου West England (UWE) στο Bristol της Βρετανίας. Ο Adamatzky, ο οποίος διδάσκει Επιστήμη μη Συμβατικών Υπολογιστών (Non-conventional Computing), συγκεντρώνει το ερευνητικό του ενδιαφέρον στους τομείς της κατανεμημένης τεχνητής νοημοσύνης (distributed artificial intelligence), των υπολογιστών RD και της ρομποτικής.

Η εφαρμογή την οποία ανέπτυξε σε συνεργασία με τον Benjamin De Lacy Costello (ερευνητή επίσης του UWE με αντικείμενο την ανάπτυξη αγώγιμων πολυμερών και ανόργανων ημιαγώγιμων υλικών ως χημικών αισθητήρων) αφορούσε τη χρήση του χημικού μίγματος των αντιδράσεων BZ ως πρώτης ύλης για τη δημιουργία του υγρού εγκεφάλου ενός κινητού ρομπότ, ικανού να εκτελέσει στοιχειώδεις λειτουργίες επεξεργασίας εικόνας.

Ο Adamatzky και οι συνεργάτες του απέδειξαν πειραματικά ότι είναι δυνατή η ανάπτυξη ενός εξειδικευμένου επεξεργαστή RD (Reaction-Diffusion) για την καθοδήγηση ενός κινητού ρομπότ προς την πηγή ενός φωτεινού ερεθίσματος. Η πειραματική διάταξη που κατασκεύασαν αποτελεί ουσιαστικά μια χημική διάταξη ελέγχου (chemical controller) η οποία εξυπηρετεί τις λειτουργίες της τεχνητής όρασης και της πλοήγησης ενός κινητού ρομπότ. Το μίγμα των υγρών χημικών ενώσεων που χρησιμοποίησαν ανήκει στην κατηγορία των συστημάτων ΒΖ.

Ένα λεπτό στρώμα αυτού του μίγματος απλώθηκε πάνω σε έναν επίπεδο δίσκο με τοιχώματα χαμηλού ύψους. Ακολούθησε η διέγερση των χημικών ενώσεων του μίγματος με την εφαρμογή φωτεινού ερεθίσματος και συγκεκριμένα κατευθύνοντας το φως μιας πηγής προς την περιφέρεια του δίσκου που περιείχε το μίγμα. Κάθε στοιχειώδης όγκος του μίγματος στην περιφέρεια του δίσκου μπορεί να διεγερθεί ανάλογα με την ένταση του προσπίπτοντος φωτός, η οποία είναι μεγαλύτερη όσο εγγύτερη είναι η απόσταση του στοιχειώδους όγκου από την πηγή του φωτός.

Η διέγερση των στοιχειωδών όγκων του μίγματος πλησιέστερα προς την πηγή του ερεθίσματος / φωτός, έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία κυμάτων που διαδίδονται στην επιφάνεια του μίγματος. Αν τα διανύσματα της ταχύτητας διάδοσης των μετώπων των κυμάτων αυτών αντιστραφούν, υποδεικνύουν την κατεύθυνση από την οποία προήλθε το ερέθισμα. Λαμβάνοντας τη συνισταμένη αυτών των διανυσμάτων είναι δυνατός ο προσδιορισμός της κατεύθυνσης της πηγής του ερεθίσματος. Η παρατήρηση της κατεύθυνσης διάδοσης των κυμάτων και της ταχύτητας τους εκτελούνται πρακτικά με τη βοήθεια μιας ψηφιακής κάμερας η οποία “ιχνηλατεί” τις δημιουργούμενες οπτικές κυματομορφές στην επιφάνεια του δίσκου στον οποίο έχει εγχυθεί το μίγμα.

Τα δεδομένα αυτά μεταδίδονται στη συνέχεια στο σύστημα κίνησης του ρομπότ το οποίο το στρέφει προς την κατάλληλη κατεύθυνση. Επιπλέον, επειδή η δημιουργία κυμάτων συνεχίζεται κατά την κίνηση του ρομπότ, εφόσον εξακολουθεί η διέγερση των χημικών ΒΖ, είναι δυνατή η συνεχής επικαιροποίηση” της κατεύθυνσης κίνησης του ρομπότ, κάτι που σημαίνει ότι είναι δυνατή και η παρακολούθηση κινούμενων στόχων.

Σύμφωνα με την ομάδα ερευνητών που διεξήγαγε το πείραμα, το εφοδιασμένο με τον “υγρό εγκέφαλο” BZ ρομπότ επέδειξε τρία είδη συμπεριφοράς: Ο Στοχαστική αναζήτηση (stochastic search), κατά την αρχική φάση της διέγερσης όταν η εκκίνηση των αντιδράσεων ΒΖ δημιουργεί τις πρώτες κυματομορφές που αρχίζουν να διαδίδονται στην επιφάνεια του μίγματος.

  • Προσέγγιση προς την πηγή του ερεθίσματος (approaching target source of stimulation), φάση κατά την οποία τα δημιουργούμενα κύματα διαδίδονται σε όλη την έκταση της επιφάνειας του μίγματος)
  • Κίνηση εν συγχύσει (confused motion), όταν “φυσαλίδες” δημιουργούμενες από τις αντιδράσεις καταλαμβάνουν μεγάλα τμήματα της έκτασης των αντιδραστηρίων ΒΖ και προκαλούν σημαντικά σφάλματα στον υπολογισμό του διανύσματος της ταχύτητας των μετώπων των κυμάτων.

Η διεξαγωγή των πειραμάτων της ομάδας του Adamatzky ξεκίνησε το 1999. Η ομάδα πειραματίστηκε με δύο διαφορετικές διατάξεις ρομπότ: Η πρώτη αφορούσε τη χρησιμοποίηση ενός υγρού εγκεφάλου ΒΖ για τη κίνηση ρομποτικών δακτύλων η οποία προσομοίωνε την αλληλεπίδραση του ανθρώπινου εγκεφάλου με τα δάκτυλα για την εκτέλεση απλών κινήσεων. Η δεύτερη αφορούσε ένα κινητό ρομπότ το οποίο εφοδιάστηκε με δύο εγκεφάλους ΒΖ, από τους οποίους ο ένας καθοδηγούσε το ρομπότ προς τον προορισμό του (την πηγή του ερεθίσματος) και ο άλλος εξασφάλιζε την κατάλληλη πλοήγησή του ώστε να αποφεύγει διάφορα εμπόδια (έπιπλα) που είχαν τοποθετηθεί μέσα στον χώρο όπου διεξαγόταν το πείραμα.

Αποδεικνύοντας ότι οι υγροί εγκέφαλοι που βασίζονταν στις αντιδράσεις BZ ήταν ικανοί να εκτελούν εξειδικευμένα αλλά απλά υπολογιστικά καθήκοντα, οι ερευνητές της ομάδας Adamatzky έκαναν το πρώτο ουσιαστικό βήμα προς την κατεύθυνση της ανάπτυξης προγραμματιζόμενων χημικών επεξεργαστών. Για την ανάπτυξη όμως χημικών επεξεργαστών ικανών να επιλύουν σύνθετα και πολύπλοκα προβλήματα, δεν αρκούσε η απλή παρατήρηση της διάδοσης των κυμάτων που συνδέονται με τη διέγερση των χημικών ένωσεων ΒΖ. Τα κυματικά χαρακτηριστικά των αντιδράσεων ΒΖ σήμαιναν ότι ήταν δυνατή η μεταφορά πληροφοριών μέσω των δημιουργούμενων κυμάτων όπως συμβαίνει με κάθε άλλη κυματομορφή.

Παρέμενε όμως το πρόβλημα της εκτέλεσης υπολογισμών. Με άλλα λόγια τα παραγόμενα κύματα έπρεπε να συνδυάζονται με τρόπο που να καθιστά δυνατή την επεξεργασία δεδομένων εκφρασμένων σε δυαδική μορφή όπως συμβαίνει με τους σημερινούς επεξεργαστές ημιαγωγών πυριτίου. Βασική προϋπόθεση για τη μετατροπή και την επεξεργασία δεδομένων σε δυαδική μορφή είναι η δημιουργία ενός συστήματος λογικών πυλών. Για την ακρίβεια, η εκτέλεση οποιουδήποτε υπολογισμού προϋποθέτει τη δημιουργία λογικών πυλών NAND. Mια πύλη NAND έχει είσοδο δύο bits. Οταν τα δύο bits εισόδου είναι 1 η έξοδός της πύλης είναι ο. Σε κάθε άλλη περίπτωση η έξοδος είναι 1.

Για την αντιμετώπιση του δυσεπίλυτου αυτού προβλήματος, μερικοί ερευνητές πρότειναν την κατασκευή κυκλωμάτων με αγωγούς για τη διέλευση των κυμάτων των αντιδράσεων ΒΖ, οι οποίοι θα αποτελούσαν το φυσικό ανάλογο των μεταλλικών αγωγών που χρησιμοποιούνται στα ηλεκτρονικά κυκλώματα. Η κατάλληλη συνδεσμολογία των αγωγών αυτών θα επέτρεπε την αλληλεπίδραση των κυμάτων δημιουργώντας το ισοδύναμο των λογικών πυλών. Η μέθοδος αυτή όμως συναντούσε ανυπέρβλητες δυσκολίες, καθώς η αναγκαία σμίκρυνση των συστημάτων αλλά και η κατασκευή του ανάλογου πλέγματος αγωγών, ήταν σχεδόν αδύνατη.

Η λύση ήλθε από μια απροσδόκητη κατεύθυνση: Δύο Αμερικανοί φυσικοί (Τ.Τοffoli και Ε.Fredkin) δημοσίευσαν μια θεωρητική εργασία στην οποία υποστήριζαν ότι ήταν δυνατή η κατασκευή λογικών πυλών για έναν υπολογιστή χρησιμοποιώντας ως υπόδειγμα τη συμπεριφορά των σφαιρών ενός μπιλιάρδου. Οι δύο σφαίρες του μπιλιάρδου μπορούν να αντιπροσωπεύουν δύο bits, Ο και 1.

Αν μία σφαίρα κατευθυνθεί σε ένα κοινό σημείο σύγκρουσης, η σφαίρα αντιπροσωπεύει το 1. Αν όχι, το 0. Σύγκρουση των δύο σφαιρών θα συμβεί όταν και οι δύο κατευθυνθούν στο ίδιο σημείο (οπότε αντιπροσωπεύουν και οι δύο το bit 1). Στο σημείο της σύγκρουσης οι δύο σφαίρες μπορούν να θεωρηθούν ως μία και να καταγραφούν ως 1. Με τον τρόπο αυτόν είναι δυνατή η δημιουργία του ισοδύναμου λογικών πυλών. Το επίτευγμα του Adamatzky συνίστατο στο ότι μετέφερε την παραπάνω αρχή των σφαιρών του μπιλιάρδου στις ενώσεις ΒΖ αντικαθιστώντας τις κινούμενες σφαίρες με τα κινούμενα κύματα των αντιδράσεων.

Το πρακτικό πρόβλημα ήταν η εύρεση ενός τρόπου ελεγχόμενης διάδοσης των δημιουργούμενων κυμάτων έτσι ώστε να συνδυάζονται και να αλληλεπιδρούν δημιουργώντας λογικές πύλες (στις τυπικές ενώσεις ΒΖ τα κύματα διαδίδονται κυκλικά προς όλες τις κατευθύνσεις). Το πρόβλημα λύθηκε όταν το 2002 μια ομάδα Αμερικανών και Ισπανών ερευνητών ανέπτυξε ένα φωτοευαίσθητο μίγμα BZ το οποίο περιείχε χημικούς “επιβραδυντές” οι οποίοι κατέστελλαν τη δημιουργία κυμάτων με τον συνήθη τρόπο. Στο μίγμα αυτό δεν παράγονταν κυκλικώς διαδιδόμενα κύματα, αλλά θραύσματα (fragments) κυμάτων τα οποία διαδίδονταν ευθύγραμμα. Το 2004 η ομάδα του Adamatzky δημιούργησε μια παραλλαγή του παραπάνω μίγματος διοχετεύοντας ενώσεις ΒΖ σε ένα λεπτό στρώμα γέλης (gel) που περιείχε ιόντα αλογονιδίου του αργύρου.

Η γέλη επιβράδυνε τη διάδοση/διάχυση των αντιδράσεων ΒΖ, ενώ τα ιόντα του αλογονιδίου λειτουργούσαν ως χημικοί επιβραδυντές. Το αποτέλεσμα ήταν η δημιουργία θραυσμάτων κυμάτων μήκους μικρότερου του 1 mm τα οποία δεν διαδίδονταν κυκλικά αλλά ακολουθώντας ευθείες γραμμές. Η διεξαγωγή περαιτέρω πειραμάτων έδειξε ότι τα κύματα αυτά συμπεριφέρονταν εν μέρει ως σωματίδια συγκρουόμενα και αναπηδώντας το ένα σε σχέση με το άλλο κατά τρόπο ανάλογο με τις σφαίρες του μπιλιάρδου. Με τον τρόπο αυτό ο Adamatzky πέτυχε να δημιουργήσει το ισοδύναμο λογικών πυλών οι οποίες συνδυαζόμενες μπορούν να δημιουργήσουν λογικά κυκλώματα που καθιστούν δυνατή την εκτέλεση υπολογισμών.

Με τις παραπάνω εργασίες τεκμηριώθηκε θεωρητικά και επιδείχθηκε πρακτικά η δυνατότητα ανάπτυξης χημικών υπολογιστών βασισμένων τις αντιδράσεις ΒΖ. Βασικό πλεονέκτημα των παραπάνω υπολογιστών θεωρείται η ανυπαρξία του ισοδύναμου των μεταλλικών αγωγών, καθώς είναι δυνατή η διακίνηση διαφόρων σημάτων μέσα στον ίδιο όγκο του μίγματος χρονίζοντας κατάλληλα τη δημιουργία των κυμάτων. Επιπλέον, είναι δυνατή η άμεση ανάγνωση των αποτελεσμάτων των υπολογισμών με τη χρήση οπτικών αισθητήρων.

Σύμφωνα με τον Adamatzky σημαντικό πλεονέκτημα των χημικών αυτών επεξεργαστών (οι οποίοι θα μπορούσαν να συγκριθούν με συμβατικούς παράλληλους επεξεργαστές, π.χ. νευρωνικά δίκτυα) είναι ότι επιτρέπουν τη δημιουργία πολύπλοκων κυκλωμάτων σε πολύ μικρό όγκο, ενώ εκτιμά ότι είναι δυνατή η χρησιμοποίηση όχι μόνο δυαδικών συστημάτων αλλά και άλλων πολυπλοκότερων, διαφοροποιώντας το μέγεθος των δημιουργούμενων θραυσμάτων κυμάτων.

Προβλήματα και προοπτικές για τους υπολογιστές του μέλλοντος

Παρά τα θετικά αποτελέσματα και τις υποσχέσεις της πειραματικής τεχνολογίας των χημικών υπολογιστών, υπάρχουν ακόμη σημαντικά εμπόδια και περιορισμοί. Ενα άμεσο πρακτικό πρόβλημα είναι η μικρή ταχύτητα κίνησης των θραυσμάτων κυμάτων (η οποία είναι της τάξης μερικών χιλιοστών ανά λεπτό) γεγονός που καθιστά τις διατάξεις ακατάλληλες για τις λειτουργίες της επεξεργασίας σε πραγματικό χρόνο (real-time processing).

Αλλά και γενικότερα, ο χώρος των χημικών υπολογιστών παραμένει ακόμη ασαφής ως προς το ότι οι σχετικές διατάξεις επίδειξης τεχνολογίας που έχουν αναπτυχθεί, δεν ακολουθούν τυποποιημένες διαδικασίες και πρακτικές σχεδίασης και κατασκευής. Δεν έχει αναπτυχθεί ένα λογικό διάγραμμα ροής, ούτε μαθηματικές μέθοδοι επαλήθευσης των αποτελεσμάτων, ούτε η αυστηρή μεθοδολογία που χαρακτηρίζει άλλες μεθόδους και τεχνικές της επιστήμης υπολογιστών.

Παρά ταύτα ο Adamatzky έχει φιλόδοξα σχέδια για τον υγρό εγκέφαλο που δημιούργησε. Ο ίδιος δηλώνει ότι τον ενδιαφέρει περισσότερο η ρομποτική και λιγότερο ο τομέας των επεξεργαστών. Θεωρεί ότι η γέλη που ανέπτυξε, εκτός από εγκέφαλος, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ένα είδος ρευστού ρομπότ αυτή καθεαυτή με δυνατότητες κίνησης (το εν λόγω υλικό χρησιμοποιείται ήδη για τη δημιουργία τεχνητών μυώνων, ενώ μερικοί ερευνητές έχουν κατασκευάσει από αυτό έναν αστερία ο οποίος κινείται ανταποκρινόμενος σε ηλεκτρικά ερεθίσματα). Και δεν σταματά εδώ. Πιστεύει επιπλέον ότι ο χημικός εγκέφαλός του μπορεί να αποκτήσει γνωστικές αλλά και «συναισθηματικές» ιδιότητες. Προς την κατεύθυνση αυτή έχει αρχίσει να εργάζεται αναπτύσσοντας μοντέλα προσομοίωσης συναισθηματικών καταστάσεων, βασιζόμενων σε κατάλληλες χημικές αντιδράσεις.

Αν και αρκετοί άλλοι ερευνητές διακρίνουν μια δόση υπερβολής στα σχέδια του Adamatzky για τη δημιουργία ενός σκεπτόμενου, αισθανόμενου και κινούμενου χημικού ρομπότ, η αλήθεια είναι ότι οι εργασίες της ομάδας του και άλλων σχετικών ερευνητών μπορούν να ανοίξουν νέους δρόμους όχι μόνο στον χώρο των υπολογιστών αλλά και όσον αφορά τον ίδιο τον ανθρώπινο εγκέφαλο.

Άλλωστε, όπως δηλώνουν αρκετοί ερευνητές, οι αντιδράσεις ΒΖ αποτελούν ένα από τα καλύτερα μοντέλα που διατίθενται σήμερα για τη μελέτη της λειτουργίας του ανθρώπινου εγκεφάλου, γεφυρώνοντας την απόσταση μεταξύ των βιολογικών επιστημών και της χημείας.