ニュース

Jun 23, 2023

空気圧コンピューターは電気の代わりに圧力を使用します

Il chip del computer in vetro e silicio trattiene il liquido in movimento da un lato

ガラスとシリコンでできたコンピューター チップには液体が入っており、圧力変化に反応してチップの一方の側からもう一方の側に移動します。 これは、小型生化学実験の制御と自動化に使用されています。

カルメラ・パダヴィッチ・キャラハン著

2023 年 6 月 2 日

液体を保持するチャネルを持つ、ガラスとシリコンで作られたコンピューターチップ

カリフォルニア大学アーバイン校のフイ研究室

ガラスとシリコンで作られた空気圧コンピューターは、電気の代わりに圧力を使用してデータをエンコードします。 これにより、通常は研究室の技術者が行う手順をチップサイズのデバイスで実行できるようになります。

ラボオンチップデバイスは、不格好なガラス器具を使用して手動で日常的な生化学を行うための、より小型で安価で持ち運び可能な代替手段として、数十年にわたって追求されてきました。 細胞培養や小さな器官の成長など、一部の生化学実験は小型化されていますが、これらの装置のほとんどは単なるチップよりもはるかに多くの機器を必要とします。

「チップを手に持つと、すべてがそのチップ上で行われることになりますが、ズームアウトすると、それを制御している冷蔵庫ほどの大きさの箱が見えるでしょう。それは実際にはラボ・オン・チップではありません。」カリフォルニア大学アーバイン校のエリオット・ホイ氏は言う。 彼と彼の同僚は、その巨大な箱を、電気を必要とせず、各ラボオンチップ内に収まる小さなコンピューターに置き換えることに着手しました。

広告

続きを読む：

小さなチップで数十万の DNA 配列を迅速に識別できる

彼らは、2枚の薄いガラス板の間に厚さ0.25ミリメートルのシリコンシートを挟みました。 彼らは、化学反応に必要な液体がそこを通って流れることができるようにガラスに小さな溝をエッチングし、シリコン層に小さな穴を開けて 2 枚のガラス間の溝を接続しました。

圧力の違いによって液体がチャネルを通って押し出され、これは、電圧の変化により電子コンピューター チップ内のワイヤに電気が流れる仕組みを模倣しています。 彼らは、低い真空圧力を「1」、大気圧を「0」と指定し、2 つの値を交換できる小さなバルブを追加しました。 これにより、チップが空気圧コンピューターに変わりました。

週刊ニュースレターにサインアップしてください

毎週の発見情報を受信箱で受け取ります。

プログラムをコーディングするために、彼らはさまざまなシリコンシートを「パンチカード」として使用し、データを入力するために圧力を変更する簡単な方法を見つけました - 指定された点に指を置きました。

チームが作成した最も複雑なチップは 4 ビットの情報を保持し、液体に溶解した化学物質の濃度を決定する段階希釈と呼ばれる手順を実行しました。 通常、研究者は液体をあるガラスシリンダーから別のガラスシリンダーにピペットで移す作業を繰り返しますが、このチップは事前にプログラムされた手順に従い、これを自律的かつ小型で行いました。 ホイ氏は、家庭での新型コロナウイルス感染症（Covid-19）検査など、私たちがすでに使用している空気圧コンピューターチップ、いわゆるマイクロ流体デバイスを追加することで、ウイルスが存在するかどうかだけでなく、その濃度も判定できる可能性があると述べた。

カリフォルニア大学リバーサイド校のウィリアム・グローバー氏は、オフチップ電子機器を使わずにチップを自動化することは非常に有用であると述べています。 「このアプローチにより、一部のマイクロ流体機器のコストを 99 パーセント削減でき、機器を小型化して構築が容易になります」と彼は言います。

計算能力が十分に進歩すれば、この技術は生物医学における既製製品として、チップ上で組織を成長させるなどの多くの入力を伴う実験に役立つ可能性がある、とシアトルのワシントン大学のアルバート・フォルチ氏は言う。 同氏は、空気圧コンピューターのバルブはまだ、電子チップのトランジスターが行うすべてのことを行うことはできないが、空気圧コンピューターの計算能力は将来的には向上する可能性があると述べています。

このプロジェクトに携わったカリフォルニア州立大学ロングビーチ校のシアヴァシュ・アラル氏は、空気圧コンピューターは小型の生化学実験室を制御できるが、ソフトロボットの「頭脳」にもなる可能性があると語る。 空気と圧力はすでに一部のロボットを動かすために使用されており、今後はロボットが簡単な計算を通じて意思決定を行うのにも使用できるようになるだろうと同氏は言う。

参考雑誌:

科学の進歩 DOI: 10.1126/sciadv.adg0201

トピック：

広告