Специалисты Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта создали прототип первого химического чипа, запоминающего и распознающего ритмические сигналы. Он может работать без электропитания и стать основой для мягких химических роботов.
В 1951 году советский химик и биофизик Борис Белоусов при исследовании окисления лимонной кислоты броматом в присутствии катализатора обнаружил автоколебательную реакцию. Это открытие опровергло представление о необратимости химических реакций. Через 10 лет исследования Белоусова продолжил и развил биофизик, физикохимик Анатолий Жаботинский.
Реакция Белоусова — Жаботинского стала не только модельной системой для изучения биологических процессов, но и основой для разработки химических вычислительных систем. Сотрудники Центра прикладной нелинейной динамики Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта создали химический чип, запоминающий и распознающий ритмические сигналы.
«Схема чипа в чём-то схожа с электронной микросхемой на полупроводниках, но вместо электрического тока по его дорожкам бегут химические волны, — объяснил старший научный сотрудник БФУ имени И. Канта Иван Проскуркин. — Такая передача сигналов по химическим волноводам напоминает распространение потенциала действия в аксонах живых нейронов. Если говорить совсем метафорично, то это как если бы желе в баночке начало думать. Пока созданы только элементы — искусственные “нейроны”, аналогичные локализованным в различных структурах мозга, но из них потенциально можно собрать более сложную систему».
Для создания чипа учёные использовали специальный полимер с вшитым катализатором и технологию, похожую на фотолитографию, используемую в производстве кремниевых микросхем. Они нанесли на предметное стекло тонкий слой прегеля, который в течение нескольких минут экспонировался через специальную маску. Затем удалили неполимеризованные остатки прегеля. На стекле осталась полимерная «интегральная схема».
«По мере усложнения нейроморфные химические чипы смогут выполнять некоторые вычислительные задачи, сохраняя при этом энергоэффективность и компактность, — сообщила руководитель центра Анастасия Лаврова. — Эта инновация открывает перспективы для создания маленьких мягких полимерных роботов, способных самостоятельно перемещаться, манипулировать миниатюрными предметами и, возможно, даже обучаться».
Для однонаправленного распространения сигнала по химическому волноводу учёные спроектировали химический диод. Химические волны возбуждаются в геле с прикосновением серебряной проволоки.
«Такой дизайн химического диода отличается от аналогов тем, что примыкающие части асимметричного соединения содержат разные катализаторы реакции Белоусова — Жаботинского и, как следствие, имеют разные пороги возбудимости. Результаты тестовых экспериментов и компьютерного моделирования позволяют утверждать, что такой подход существенно увеличивает надёжность работы и срок службы диода», — заключила Анастасия Лаврова.
Исследователи планируют использовать химические чипы в связке с умными материалами собственного производства, например хемомеханическими гелями. И утверждают, что это станет важным шагом к созданию мягких полимерных роботов. Такие роботы в будущем могут широко применяться во всех областях, где возможен тесный контакт робота с человеком, или там, где требуется замена или имитация органических частей или целых организмов.