http://s45.radikal.ru/i108/1004/40/417a73ef9164.jpg
Микрогидравлические чипы пока не столь известны, как электронные микросхемы. Но в будущем на их основе могут быть созданы даже имитирующие поведение живой клетки компьютеры. Исследователи сделали важный шаг на пути к устройству, позволяющему легко и быстро диагностировать различные болезни вдали от врачебного кабинета. А также к компьютерам, имитирующим работу живой клетки.
Описанное на страницах журнала Nature Physics устройство относится к так называемым микрогидравлическим интегральным схемам. По-английски они называются microfluidic integrated circuits (микрожидкостные интегральные схемы). Как «микрогидравлический», так и «микрожидкостный» – в данном случае одинаково корректные прилагательные: речь идет о крошечной, всего в несколько квадратных сантиметров, системе сообщающихся сосудов, клапанов и трубопроводов. Фото из статьи в Nature Physics - показано, как микроскопический клапан пропускает жидкость только в одну сторону и при этом не подтекает. Если на поверхность такого чипа капнуть немного анализируемой жидкости, то по миниатюрным каналам она направится в камеры с уже подготовленными реактивами. Получается, что, с одной стороны, удается обойтись микроскопическим количеством жидкости, а с другой – речь идет о гидравлической системе, пусть и миниатюрной.
Автоматические анализы крови и мочи, оценка качества воды, портативная лаборатория для геологов или иных работающих в полевых условиях специалистов — микрогидравлические устройства неспроста рассматриваются в качестве одной из перспективных технологий. Ключевая проблема Сделать тончайшие каналы и миниатюрные камеры — уже не проблема. Высокоточные методы обработки самых разных материалов в ряде случаев позволяют с микронной точностью воспроизводить микрочипы сотнями тысяч и по вполне доступным ценам. Тонкая сеть каналов и отверстий неспроста напоминает рисунок на поверхности печатных плат - вся разница в том, что вместо электричества в схеме течет жидкость.
Главный вызов конструкторам — это разработка систем управления. Электрическим током в электронной схеме можно управлять при помощи транзисторов, по команде размыкающих или замыкающих цепь. А вот как сделать столь же миниатюрные и при этом дешевые краны? А насосы, способные в заданный момент времени включиться и перекачать в нужном направлении именно тот объем раствора, который необходим? Разумеется, вся эта микромеханика не должна подтекать и крайне желательно иметь возможность управлять ею при помощи обычных электрических импульсов. Экспериментальные транзисторы состоят всего из одной молекулы Группа специалистов из Университета Мичигана (США) разработала ряд устройств, которые удовлетворяют этим требованиям, обходятся без громоздких (по отношению ко всей схеме в целом) компонентов, и, что особо подчеркивается учеными, из них можно строить полный аналог электрической схемы.
Глубокая аналогия Между электрическими и гидравлическими цепями аналогии проводят, как правило, в образовательных целях, для наглядности. Конденсатор предстает баком, способным вместить некоторое количество жидкости, резистор — узким участком трубы, размыкающийся контакт — краном, а источник питания — насосом. Представить поток жидкости проще, чем электрический ток, но одной лишь наглядностью достоинства аналогии между гидравликой и электротехникой не исчерпываются.
Пневматическая управляющая схема, советская разработка 1950-х годов. При помощи гидравлических элементов тоже можно строить сложные вычислительные устройства. Более того, некоторое их подобие уже известно: в промышленной автоматике небезуспешно применялись пневматические управляющие системы. Взаимодействие потоков газа (что не принципиально отличается от жидкости) позволяло делать все то же, что делает электронная схема, только с заведомо нулевой вероятностью появления искр и короткого замыкания — что для нефтеперерабатывающей промышленности 1960-х годов было ощутимым достоинством. Если бы не стремительное уменьшение размеров и совершенствование микроэлектроники, пневматические и гидравлические устройства могли бы потеснить электрических конкурентов.
Впрочем, появление транзисторов и интегральных схем, внутри которых в одной кремниевой пластине выращивается несколько миллионов отдельных деталей, шансов вычислительным машинам на воде и воздухе почти не оставило. Обычная микроэлектроника тоже развивается — на смену кремнию могут прийти наносоты из графена.
Помимо очевидного выполнения ряда анализо микрогидравлические чипы могут довольно точно воспроизвести и сложные управляющие сигналы внутри живой клетки. Клетка, которая является по сути сложнейшим саморазвивающимся автоматом, вместо электрических импульсов использует биохимические сигналы, передаваемые отдельными молекулами. В клетке есть свои каналы и направляющие для транспортировки сигнальных молекул, в ней предусмотрены белки, запускающие или останавливающие синтез других белков, в ней есть даже особые каналы в мембране, открывающиеся или закрывающиеся по определенному сигналу. Чтобы создать устройства, способные выполнять ряд функций живой клетки, биофизикам необходимо научится управлять движением жидкости в микроскопических объемах. И один из шагов на пути к этому уже сделан.
Микрогидравлические чипы пока не столь известны, как электронные микросхемы. Но в будущем на их основе могут быть созданы даже имитирующие поведение живой клетки компьютеры. Исследователи сделали важный шаг на пути к устройству, позволяющему легко и быстро диагностировать различные болезни вдали от врачебного кабинета. А также к компьютерам, имитирующим работу живой клетки.
Описанное на страницах журнала Nature Physics устройство относится к так называемым микрогидравлическим интегральным схемам. По-английски они называются microfluidic integrated circuits (микрожидкостные интегральные схемы). Как «микрогидравлический», так и «микрожидкостный» – в данном случае одинаково корректные прилагательные: речь идет о крошечной, всего в несколько квадратных сантиметров, системе сообщающихся сосудов, клапанов и трубопроводов. Фото из статьи в Nature Physics - показано, как микроскопический клапан пропускает жидкость только в одну сторону и при этом не подтекает. Если на поверхность такого чипа капнуть немного анализируемой жидкости, то по миниатюрным каналам она направится в камеры с уже подготовленными реактивами. Получается, что, с одной стороны, удается обойтись микроскопическим количеством жидкости, а с другой – речь идет о гидравлической системе, пусть и миниатюрной.
Автоматические анализы крови и мочи, оценка качества воды, портативная лаборатория для геологов или иных работающих в полевых условиях специалистов — микрогидравлические устройства неспроста рассматриваются в качестве одной из перспективных технологий. Ключевая проблема Сделать тончайшие каналы и миниатюрные камеры — уже не проблема. Высокоточные методы обработки самых разных материалов в ряде случаев позволяют с микронной точностью воспроизводить микрочипы сотнями тысяч и по вполне доступным ценам. Тонкая сеть каналов и отверстий неспроста напоминает рисунок на поверхности печатных плат - вся разница в том, что вместо электричества в схеме течет жидкость.
Главный вызов конструкторам — это разработка систем управления. Электрическим током в электронной схеме можно управлять при помощи транзисторов, по команде размыкающих или замыкающих цепь. А вот как сделать столь же миниатюрные и при этом дешевые краны? А насосы, способные в заданный момент времени включиться и перекачать в нужном направлении именно тот объем раствора, который необходим? Разумеется, вся эта микромеханика не должна подтекать и крайне желательно иметь возможность управлять ею при помощи обычных электрических импульсов. Экспериментальные транзисторы состоят всего из одной молекулы Группа специалистов из Университета Мичигана (США) разработала ряд устройств, которые удовлетворяют этим требованиям, обходятся без громоздких (по отношению ко всей схеме в целом) компонентов, и, что особо подчеркивается учеными, из них можно строить полный аналог электрической схемы.
Глубокая аналогия Между электрическими и гидравлическими цепями аналогии проводят, как правило, в образовательных целях, для наглядности. Конденсатор предстает баком, способным вместить некоторое количество жидкости, резистор — узким участком трубы, размыкающийся контакт — краном, а источник питания — насосом. Представить поток жидкости проще, чем электрический ток, но одной лишь наглядностью достоинства аналогии между гидравликой и электротехникой не исчерпываются.
Пневматическая управляющая схема, советская разработка 1950-х годов. При помощи гидравлических элементов тоже можно строить сложные вычислительные устройства. Более того, некоторое их подобие уже известно: в промышленной автоматике небезуспешно применялись пневматические управляющие системы. Взаимодействие потоков газа (что не принципиально отличается от жидкости) позволяло делать все то же, что делает электронная схема, только с заведомо нулевой вероятностью появления искр и короткого замыкания — что для нефтеперерабатывающей промышленности 1960-х годов было ощутимым достоинством. Если бы не стремительное уменьшение размеров и совершенствование микроэлектроники, пневматические и гидравлические устройства могли бы потеснить электрических конкурентов.
Впрочем, появление транзисторов и интегральных схем, внутри которых в одной кремниевой пластине выращивается несколько миллионов отдельных деталей, шансов вычислительным машинам на воде и воздухе почти не оставило. Обычная микроэлектроника тоже развивается — на смену кремнию могут прийти наносоты из графена.
Помимо очевидного выполнения ряда анализо микрогидравлические чипы могут довольно точно воспроизвести и сложные управляющие сигналы внутри живой клетки. Клетка, которая является по сути сложнейшим саморазвивающимся автоматом, вместо электрических импульсов использует биохимические сигналы, передаваемые отдельными молекулами. В клетке есть свои каналы и направляющие для транспортировки сигнальных молекул, в ней предусмотрены белки, запускающие или останавливающие синтез других белков, в ней есть даже особые каналы в мембране, открывающиеся или закрывающиеся по определенному сигналу. Чтобы создать устройства, способные выполнять ряд функций живой клетки, биофизикам необходимо научится управлять движением жидкости в микроскопических объемах. И один из шагов на пути к этому уже сделан.