האם אפשר לבצע חישובים באמצעות נוזלים? מחקר, שערכו חוקרים מאוניברסיטת תל אביב, מדגים כיצד נוזל הזורם בתעלות זעירות בתוך חומר גמיש יכול לבצע פעולות העומדות בבסיס החישוב הדיגיטלי. באמצעות לחיצות מכניות שמשנות את מבנה התעלות, החוקרים הצליחו לשלוט במסלול הנוזל ולבצע פעולות לוגיות ואף חיבור של מספרים בינאריים, המיוצגים באמצעות אפסים ואחדים.
את המחקר ערכו רועי אלמוג ופרופ' בת-אל פנחסיק מבית הספר להנדסה מכנית בפקולטה להנדסה והמרכז לפיזיקה וכימיה של מערכות חיות באוניברסיטת תל אביב. המחקר פורסם בכתב העת המדעי היוקרתי Advanced Science
החוקרים הסבירו כי שערים לוגיים הם מעין "מתגים חכמים", שמקבלים מידע ופועלים לפי כללים פשוטים כדי לקבוע את הפלט. כשמחברים הרבה שערים כאלה יחד, אפשר לבצע חישובים ולעבד מידע - וזהו למעשה הבסיס שעליו פועלים מחשבים ומערכות דיגיטליות. במחשבים דיגיטליים המידע זורם בשערים לוגיים בצורה של אותות חשמליים שמייצגים שני מצבים, בדרך כלל 0 ו-1. כל שער מקבל את האותות האלה, מפעיל עליהם כלל פשוט, ומעביר הלאה אות חדש לשער הבא.
במערכת שפיתחו החוקרים, הם תרגמו את פעולת השערים הלוגיים משפה חשמלית לשפה של זרימת נוזל. במקום אות חשמלי של 0 או 1, התוצאה נקבעת לפי השאלה האם הנוזל הגיע לנקודה מסוימת: הגעה מייצגת ״1״, ואי-הגעה מייצגת ״0״. את הקלטים לשער נותנים באמצעות לחיצות פשוטות על התעלות מכיוונים שונים, שמשנות את מסלול הזרימה ויכולות לפתוח או לחסום דרכים מסוימות, וכך לבצע פעולות לוגיות באמצעות נוזל בלבד.
הנוזל מתקדם בתעלות בזכות נימיות (קפילריות), אותה תופעה שגורמת למים להיספג בנייר סופג ללא משאבה, ומסייעת להובלת מים בצמחים. החידוש במערכת הוא שניתן לשלוט בזרימה הזאת תוך כדי פעולה, באמצעות עיוות מבוקר של החומר שמשנה את מסלולי הזרימה. כך המערכת אינה מוגבלת להתנהגות שנקבעה מראש על ידי צורת התעלות, אלא יכולה לשנות את אופן פעולתה בזמן אמת.
החוקרים בנו רכיבים קפילריים שיכולים לאפשר מעבר של נוזל או לעצור אותו, ולשנות את התנהגותם בתגובה ללחיצה מכנית. חיבור של הרכיבים האלה בסידורים שונים יצר מעגלים לוגיים שבהם התוצאה תלויה בכיוון ובסדר הלחיצות. כך, למשל, במעגל אחד הנוזל מגיע ליעד רק אם מופעלות לחיצות בשני כיוונים, בדומה לשער AND; במעגל אחר מספיקה לחיצה בכיוון אחד, כמו בשער OR; ובמערכת נוספת הנוזל עובר רק כאשר מופעלת לחיצה באחד משני הכיוונים, אך לא בשניהם יחד, כמו בשער XOR. משילוב של רכיבים כאלה נבנו גם מעגלים מורכבים יותר, המסוגלים לבצע חיבור בינארי.
איור המסביר על המחקר
(איור: אוניברסיטת תל אביב)
כדי להמחיש כיצד החישוב יכול לשלוט בתהליך ממשי, החוקרים השתמשו במערכת להפעלה מבוקרת של תגובה בין חומצות לסודה לשתייה, המייצרת בועות פחמן דו-חמצני. כאן התגלה יתרון של התעלות הפתוחות: הגז יכול להשתחרר לאוויר, וכך נמנעת חסימה של מסלולי הזרימה בבועות. בנוסף, נבנתה מערכת ממונעת שהפעילה את הלחיצות באופן מבוקר והדגימה תגובות עקביות וחוזרות. בתעלות פתוחות הנוזל חשוף לסביבה ונגיש ישירות, ולכן קל יותר להוסיף אליו חומרים, למדוד אותו או לשלב אותו עם רכיבים אחרים. הזרימה הקפילרית מאפשרת לנוזל לנוע ללא משאבות או מקורות אנרגיה חיצוניים, וכך מתקבלת מערכת פשוטה, פסיבית וחסכונית באנרגיה.
החוקרים מעריכים כי הפיתוח עשוי לתרום בעתיד למערכות ״מעבדה על שבב״, המבצעות תהליכים בכמויות זעירות של נוזל. בין היישומים האפשריים: ערבוב חומרים בסדר מוגדר, הפעלת תגובות כימיות ובדיקות רפואיות הדורשות מעט ציוד ותשתיות.
בשלב זה מדובר בהדגמה מחקרית: הפעולות איטיות משמעותית מחישוב אלקטרוני, והרחבת המערכת למעגלים מורכבים יותר עדיין מציבה אתגרים. עם זאת, המחקר מציג דרך לשלב יכולת חישוב בתוך החומר עצמו, כך שאותה מערכת גם מעבדת את הקלט המכני וגם שולטת בתנועת הנוזלים. השילוב הזה עשוי לאפשר פיתוח כלים זעירים שבהם פעולות הבדיקה והבקרה מתבצעות יחד, באמצעות המבנה והתכונות הפיזיקליות של המערכת, ללא תלות במשאבות.
