「空気圧コンピューティングが重要性を増す」
Importance of pneumatic computing increases.
今日の電子計算システムのパワーについては議論の余地はありません。膨大なデータを処理し、複雑なソフトウェアを実行し、想像できなかったさまざまなタスクを処理することが可能です。
しかし、これらのシステムは多くの環境や特定の用途には理想的ではありません。電源コンセントやバッテリーが必要であり、物理的な世界と電子的な世界を結ぶインタフェースが必要であるため、操作が煩雑になることがあります。
そのため、バイオエンジニアはマイクロフルイディクスの分野で代替手段を探っています。2023年6月、カリフォルニア大学アーヴァイン校（UCアーヴァイン）とカリフォルニア州立大学ロングビーチ校（CSULB）の研究者たちは、科学の進歩のジャーナルであるScience Advancesで、圧力を使ってデータをエンコードおよびデコードする気体コンピュータを開発しました。
「マイクロフルイディクス技術は、感染症の検査から環境モニタリング、食品の安全性まで、さまざまな応用分野で重要な進歩をもたらす可能性があります」と、UCアーヴァインの生体医工学の准教授で論文の主著者であるエリオット・ヒュイ氏は述べています。
この技術は、ソフトロボティクスや医療用義肢にも応用されます。
マイクロフルイディクスの分野の先駆者であるカリフォルニア大学リバーサイド校のバイオエンジニアリングの准教授であるウィリアム・グローヴァー氏は、「これらの空気圧システムは、電気を使わない計算の古いアイデアを取り入れ、様々な先進的な生物学および化学システムを制御することを実現しました」と述べています。
圧力下での計算
流体システムにアクセスする計算デバイスを構築するアイデアは新しいものではありません。グローヴァー氏は、100年以上前に、プレーヤーピアノが紙のロールにパンチされた曲を読むために空気を使用していたことを指摘しています。さまざまな他の計算システムも水、空気、または他の要素を組み込んでいます。
「空気圧は長い間、計算に適した方法と見なされてきました。しかし、低コストの電子機器が登場すると、焦点は主に電気で動作するより強力で安価な計算システムの構築に移りました」とグローヴァー氏は説明しています。
現在のラボオンチップシステムは、Covidテストや細胞培養のようなタスクに使用され、オンボードの機能が非常に限られているか、特定の機能を制御するために別の計算デバイス（通常は大型で扱いにくく、数万ドルかかる）に依存しています。
現在の研究グループが開発したシステムでは、外部デバイスは必要ありません。「このデバイスの重要性は、計算だけでなく、流体システムも制御できることです」と、CSULBの生体医工学の助教で研究グループのメンバーであるシアヴァシュ・アフラール氏は説明しています。「目的の結果に到達するために、空気圧を操作することができます」。
研究チームは、0.25ミリメートルの厚さのシリコーンシートを開発し、微細なチャネルがエッチングされた2枚の薄いガラスの間に配置しました。バルブはシリコーンシートをたわませることで開閉され、これは電子トランジスタを模倣したプロセスです。チャネル内の圧力の変動は、従来のコンピュータが電圧の変動を利用してバイナリコードを生成する方法と同様に振る舞います。
この場合、「1」は真空圧を表し、「0」は大気圧を表します。パンチカードのような機能を持つ小さなシリコーンシートを交換することで、プログラム可能な完全な計算デバイスを構築することが可能です。「これにより、小型で柔軟性があり、コストを抑えたラボオンチップシステムが実現します」とヒュイ氏は述べています。
適切なアプローチ
空気圧を計算ツールとして利用する登場により、さまざまな分野が変わり、新しいイノベーションが生まれる可能性があります。これにより、ウイルスの安価な検査方法が提供され、食品の安全性が監視され、環境の汚染物質や汚染物の検出が可能になります。さらに、現在のテストキットがすでに行っている病原体や粒子の存在の検査にとどまらず、進化する可能性もあります。
「装置にプログラミングして希釈を行うことで、患者のウイルス量や水または空気サンプルの正確な汚染レベルなど、濃度レベルを検出することができます」とAhrar氏は述べています。「より詳細かつ正確な分析を、より低価格で行うことが可能です。」
単独の空気駆動論理によって、実験室や病院、環境設定などで非常に大きな診断的な利点がもたらされるだけでなく、技術によって従来利用できなかった場所でのチップ上での実験が可能になります。「これにより、臨床試験を開発途上国や従来は試験が行われていなかった場所など、現在は除外されている場所にも持ち込むことが可能になります」とAhrar氏は述べています。
空気駆動計算が利益をもたらす可能性がある別の分野は、ソフトロボットと義肢です。Ahrar氏は、これらのデバイスは通常、シリコンゴムで作られ、リハビリテーションや障害やトラウマを抱える子供たちとの作業に使用されていると述べています。ソフトロボットは通常、大量のバルブとチューブを介してデバイスに接続されたコンピュータによって生成される圧力パルスで動作します。
これらのデバイスの使用方法が変わることで、コードやケーブルを切断することが可能になります。「従来のシステムは大きくて管理が難しい」とAhrar氏は述べています。「空気駆動デバイスはそれを変えることができるでしょう。それはスタンドアロンのソフトロボット上で従来のコンピュータの機能をすべて提供します。」
電子機器を超えて
商業的に有益な空気駆動計算デバイスを構築するには、まだ多くの困難が残っています。例えば、Hui氏と彼のチームによって開発されたシステムは、データのビット数がわずか4つであり、オンボードの回路や論理も制約があります。その結果、基本的な機能しか提供できません。「完全な機能を備え、大量生産されるためにはまだ相当な作業が必要です」とHui氏は述べています。
それにもかかわらず、研究者はさまざまなシステム構成や3Dプリントを設計プロセスに取り込むなど、異なる試みを続けています。これにより、より柔軟で費用のかからないシステムが実現するかもしれません。製薬会社などは、この技術に関心を示しており、現在のチップ上での実験システムをはるかに強力かつ柔軟にするのに役立つ可能性があります。
Grover氏は、この技術により、医療機器を異なる用途に再プログラムすることで、医療をより効率的にすることも可能になると述べています。彼は、「従来は別々の専用デバイスが必要だったタスクを、スマートフォンが処理するように、空気駆動論理によって、1つのデバイスが異なるプログラムを実行し、異なる機能を実行することが容易になるでしょう」と説明しています。
Hui氏は締めくくりとして、「マイクロ流体学は非常に興味深い可能性を提供しています」と述べています。
Samuel Greengardは、米国オレゴン州ウェストリンに拠点を置く著者兼ジャーナリストです。
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