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Wissenschaftler nutzen die chemische Dynamik, um komplexe Probleme zu lösen

Eine Nahaufnahme des 3D-gedruckten Reaktornetzwerks mit entstehenden chemischen Schwingungsmustern. Bildnachweis: Digital Chemistry Lab, University of Glasgow, Vereinigtes Königreich.

An der Schnittstelle von Chemie und Informatik haben Forscher der Universität Glasgow ein hybrides digital-chemisches probabilistisches Rechensystem entwickelt, das auf der Belousov-Zhabotinsky-Reaktion (BZ) basiert und zur Lösung kombinatorischer Optimierungen verwendet werden kann.

Durch Ausnutzung der inhärenten probabilistischen Natur von BZ-Reaktionen demonstriert das System neu auftretende Verhaltensweisen wie Replikation und Konkurrenz, die in komplexen Systemen beobachtet werden, die an lebende Organismen erinnern. Dies könnte den Weg für neue Ansätze für Rechenaufgaben ebnen, die durch die durch die moderne Informatik auferlegten Grenzen beeinträchtigt werden.

Die Kombination aus elektronischer Steuerung und chemischer Dynamik bietet ein Mittel zur Durchführung effizienter Berechnungen und kombiniert das Beste aus beiden für die Entwicklung adaptiver und bioinspirierter Computerplattformen mit beispielloser Effizienz und Skalierbarkeit.

Die von Professor Leroy Cronin, Regius-Lehrstuhl für Chemie an der Universität Glasgow, geleitete Forschung wurde in veröffentlicht Natürliche Kommunikation. Professor Cronin sprach mit Phys.org über ihre Arbeit und erklärte seine Motivation, die gleiche Arbeit fortzusetzen.

„Ich wollte sehen, ob wir einen neuen Typ eines chemischen Informationsverarbeitungssystems schaffen könnten, weil ich davon inspiriert bin, wie die Biologie Informationen in feuchten Gehirnen verarbeiten kann“, sagte er.

Grenzen des modernen Computing

Moderne Computer basieren auf Transistoren, den Bausteinen elektronischer Geräte, die zur Herstellung von Logikgattern und Speicherzellen verwendet werden und die Grundlage digitaler Schaltkreise bilden. Doch der Bedarf und die Nachfrage nach mehr Rechenleistung führen dazu, dass Transistoren immer kleiner werden.

Die Miniaturisierung von Transistoren weist aufgrund der herstellungsbedingten Einschränkungen und der Gesetze der Physik mehrere Grenzen auf. Je kleiner der Transistor ist, desto schwieriger ist er herzustellen und desto mehr Energie wird benötigt, desto mehr Wärme wird abgeführt und desto weniger energieeffizient ist er.

Dies hat Wissenschaftler dazu veranlasst, andere Arten des Rechnens zu erforschen, beispielsweise das Quantencomputing, das zwar äußerst leistungsfähig bei der Lösung von Problemen ist, bei klassischen Computern jedoch nicht unter Skalierbarkeitsproblemen aufgrund der Behebung von Fehlern leiden kann.

Andererseits nutzt das Rechnen, das auf physikalischen Prozessen wie chemischen Reaktionen basiert, eine Mischung aus Systemen wie digitalen, chemischen und optischen. Dies eröffnet neue Wege für unkonventionelle Computerarchitekturen mit Fähigkeiten, die über traditionelle digitale Systeme hinausgehen.

Die BZ-Reaktion

Die BZ-Reaktion ist ein klassisches Beispiel für einen chemischen Oszillator, bei dem sich die Konzentrationen von Reaktanten und Produkten periodisch ändern. Es wird in vielen chemischen Systemen beobachtet, beispielsweise in Labors und biologischen Systemen.

Die Fähigkeit der BZ-Reaktion, komplexe und nichtlineare Dynamiken zu zeigen, macht sie zu einer attraktiven Wahl für die Untersuchung neu auftretender Phänomene und unkonventioneller Rechenparadigmen.

In dieser Forschung dient das BZ-Feedback aufgrund seines inhärenten Schwingungsverhaltens, seiner Anpassungsfähigkeit und seiner Reaktionsfähigkeit auf externe Reize als Grundlage für ein Hybrid-Computersystem. Durch die Ausnutzung der Dynamik von BZ-Reaktionen können Forscher komplexe Verhaltensweisen nachahmen, die in natürlichen Systemen beobachtet werden, und so eine vielseitige Rechenplattform bereitstellen.

Konzentrationen können als binäre Informationen dienen (0 steht für niedrige Konzentrationen und 1 für hohe Konzentrationen) und schwankende Konzentrationen können als zeitabhängige Variablen dienen. Darüber hinaus können sich Informationen über Prozesse wie Diffusion zwischen einzelnen Zellen mit BZ-Reaktionen verbreiten.

Professor Cronin erklärte weiter: „Die Reaktion hat zwei Zustände an und aus und jedes Kästchen [or cell] im Netzwerk können unabhängig, synchron oder nach der Kommunikation blinken. Dies ist der Prozess, mit dem das System so programmiert werden kann, dass es ein Problem berechnet, das dann von der Kamera gelesen wird. »

Ein hybrider programmierbarer Informationsprozessor

Das Herzstück des Informationsprozessors ist ein 3D-gedrucktes Gitter aus miteinander verbundenen Reaktoren. Jeder Reaktor oder jede Zelle beherbergt die BZ-Reaktion, sodass es sich um eine Reihe von BZ-Reaktionen handelt.

Der Eingang in dieses Netzwerk erfolgt elektronisch und wird durch Magnetrührer gesteuert, die die Reaktion innerhalb dieser Zellen manipulieren können. Es gibt auch Grenzflächenrührer, die die Wechselwirkungen zwischen gekoppelten Zellen (über Diffusion) erleichtern und so die Schwingungen synchronisieren können.

Die Forscher beobachteten, dass Schwankungen der Reaktanten- und Produktkonzentrationen als erzwungen gedämpfte Schwingungen auftreten, wobei Rührwerke eine entscheidende Rolle bei deren Kontrolle spielen.

Dieses Verhalten ist charakteristisch für BZ-Reaktionen, bei denen chemische Spezies im Laufe der Zeit periodische Konzentrationsänderungen erfahren. Diese Veränderungen machen sich durch Farbveränderungen der Flüssigkeiten bemerkbar.

Die Ausgabeverarbeitung umfasst zwei Schlüsselkomponenten: ein Convolutional Neural Network (CNN) und einen Recognition Finite State Machine (RFSM). Diese Komponenten analysieren die Konzentrationen von Reaktanten und Produkten in der BZ-Reaktion, die mit Videokameras erfasst werden.

Das CNN klassifiziert Konzentrationen in diskrete chemische Zustände, während das RFSM den entsprechenden chemischen Zustand auf Grundlage dieser Klassifizierung bestimmt.

Einfach ausgedrückt werden diskrete chemische Zustände auf der Grundlage der Konzentrationen von Reaktanten und Produkten innerhalb der BZ-Reaktion klassifiziert und bestimmt, die aufgrund der Art der Reaktionen ihrerseits probabilistisch sind.

Der probabilistische Charakter ergibt sich aus der Tatsache, dass die BZ-Reaktion nichtlinear ist, was zu komplexen Wechselwirkungen zwischen chemischen Spezies führt, deren Verhalten im Laufe der Zeit inhärente Variabilität und Unvorhersehbarkeit aufweist.

Das gesamte System arbeitet reibungslos und kontinuierlich, basierend auf einer Rückkopplungsschleife, die auf den wechselnden Farben der Flüssigkeit basiert. Wenn die Konzentrationen schwanken, ist das System „ein“, was durch blaue Farben angezeigt wird. Wenn es keine Schwankungen gibt, sind die Flüssigkeiten rot, was bedeutet, dass das System „aus“ ist.

Dieser Regelkreis manipuliert die Rührwerke basierend auf den Farben und gewährleistet so die Prozesskontinuität durch „erzwungene“ oder externe Steuerung.

Chemische zelluläre Automaten und Optimierungsproblemlösung

Die Forscher nutzten den Hybridprozessor, um seine Rechenleistung durch die Implementierung chemischer zellulärer Automaten (CCA) in 1D und 2D zu demonstrieren.

Hierbei handelt es sich um mathematische Modelle zur Simulation komplexer Systeme, die aus einfachen Komponenten bestehen, die nach vordefinierten Regeln lokal miteinander interagieren.

Dies führt zu aufkommenden Verhaltensweisen wie Replikation und Konkurrenz, die von „Chemits“ gezeigt werden, bei denen es sich um mehrzellige Einheiten handelt, die durch Muster chemischer Konzentrationen innerhalb des Netzes miteinander verbundener Reaktoren definiert werden, in denen die BZ-Reaktion stattfindet.

Diese Verhaltensweisen ähneln denen, die bei lebenden Organismen beobachtet werden, und tragen zur Komplexität und Anpassungsfähigkeit des Computersystems bei.

Darüber hinaus zeigen die Forscher, dass ihr rechnerischer Ansatz, der sowohl elektronische als auch chemische Komponenten integriert, kombinatorische Optimierungsherausforderungen wie das Problem des Handlungsreisenden effektiv bewältigen kann.

Auf der Anwendungsseite könnten solche Hybridsysteme für Deep-Learning-Aufgaben, die nichtlineares Verhalten erfordern, sehr nützlich sein. Chemische Systeme bieten solche Eigenschaften von Natur aus und machen hybride Computerarchitekturen ressourceneffizient für spezifische Probleme, bei denen Nichtlinearitäten und probabilistisches Verhalten von entscheidender Bedeutung sind.

Professor Cornin fügte hinzu: „Ich sehe, dass eine Solid-State-Version die Hardware für künstliche Intelligenz ersetzen und viel einfacher trainiert werden könnte.“ »

In Zukunft möchte er die Miniaturisierung dieser Technologie erforschen und das Netzwerk vergrößern, um wirklich wichtige Probleme zu lösen.

Mehr Informationen:
Abhishek Sharma et al., Ein programmierbarer hybrider digitaler chemischer Informationsprozessor basierend auf der Belousov-Zhabotinsky-Reaktion, Natürliche Kommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-45896-7.

© 2024 Science X Network

Zitat: Wissenschaftler nutzen die chemische Dynamik, um komplexe Probleme zu lösen (5. April 2024), abgerufen am 5. April 2024 von https://phys.org/news/2024-04-scientists-harness-chemical-dynamics-complex.html

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By rb8jg

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