工程师开发一台经营水的电脑

斯坦福大学的研究人员开发了一种同步计算机，使用移动水滴的独特物理运营。他们的目标是设计一类新型计算机，可以精确控制和操纵物质。

电脑和水通常不混合，但在Manu Prakash的实验室中，两者是一个和一样的。斯坦福大学生物工程助理教授Prakash，他的学生建立了一个同步计算机，使用移动水滴的独特物理。

这台计算机近十年来，孵育了一个想法，当他是一名研究生时遭受了普拉克斯。该作品将其专业知识与计算机科学的基本要素进行操纵液滴流体动力学 - 操作时钟。

“在这项工作中，我们终于展示了同步，通用的液滴逻辑和控制，”Prakash说。

由于其普遍性，液滴计算机理论上可以执行传统电子计算机可以紧缩的任何操作，尽管速度显着较慢。然而，普拉克斯特和他的同事们都有更加雄心勃勃的应用。

“我们已经有数字计算机来处理信息。我们的目标不是与电子计算机竞争或操作文字处理器，“Prakash说。“我们的目标是建立一个全新的一类，可以精确控制和操纵物质。想象一下，如果您运行一组不仅处理信息但是物理物质也是算法的计算。我们刚刚在Mesoscale上做了这一点。“

精确控制使用流体计算的液滴的能力可以在高通量生物学和化学中具有许多应用，并且可能在可扩展数字制造中的新应用。

结果在现有版的自然物理学中发表。

关键的时钟

由于他在研究生院近十年来，一个想法在Prakash唠叨：如果他可以使用小液滴作为信息的比特，并利用这些液滴的精确运动来同时处理信息和物理材料。最终，Prakash决定建立一个旋转磁场，可以充当时钟以同步所有液滴。这个想法显示了承诺，并且在项目的早期阶段，Prakash招募了一名研究生Georgios“Yorgos”Katsikis，他们是本文的第一个作者。

电脑时钟对几乎所有现代化的人负责。智能手机，DVR，飞机，互联网 - 没有时钟，这些都不能在没有经常和严重的并发症的情况下运行。几乎每个计算机程序都需要几个同时操作，每个操作都以完美的逐步方式进行。时钟确保这些操作同时启动和停止，从而确保信息同步。

如果不存在时钟，则结果是可怕的。这就像士兵在形成中行进：如果一个人在一段时间内急剧下降，那么在整个团队分崩离析之前，它不会很久。Prakash解释说，如果多个同时的计算机操作运行，则相同是真实的，如果没有时钟进行同步。

“计算机的原因如此精确地工作是每次操作都会同步发生;这是一个使数字逻辑如此强大的第一名，“Prakash说。

磁时钟

开发用于流体的计算机的时钟需要一些创造性的思维。它需要易于操纵，并且还能够一次影响多个液滴。该系统需要可扩展，以便在将来，大量的液滴可以在彼此之间进行通信而不会跳过节拍。Prakash意识到旋转磁场可能会做诀窍。

Katsikis和Prakash在玻璃幻灯片上制造了微小的铁杆阵列，看起来像Pac-Man迷宫一样。他们在顶部铺设了一块空白的玻璃滑块，并在两者之间夹着一层油。然后他们仔细地注入混合磷酸盐水滴，该水滴被注入微小的磁性纳米粒子。

接下来，它们打开磁场。每次磁场翻转，条形的极性反转，以新的预定方向绘制磁化液滴，如轨道上的插槽车。该字段的每次旋转都是一个时钟周期，就像在时钟面上制作完整圆圈的二手，并且每次拖放都会恰好使用每个循环。

相机记录inpidulual液滴之间的相互作用，允许在实时发生时观察计算。液滴的存在或不存在表示二进制代码的1S和0，并且时钟确保所有液滴在完美的同步中移动，因此系统可以在没有任何错误的情况下永久运行。

“遵循这些规则，我们已经证明我们可以通过改变芯片上的杆的布局来使所有用于电子设备的通用逻辑门，”Katsikis说。“我们平台的实际设计空间非常丰富。给我们世界上任何布尔逻辑电路，我们可以用这些小磁液滴来构建它。“

本文介绍了系统的基本操作制度，并演示了用于同步逻辑门，反馈和级联性的构建块 - 可扩展计算的标志。还使用上述基本构建块来演示包括1位存储器存储（称为“触发器”）的简单状态机。

操纵物质的新方法

目前的芯片大约是邮票的一半大小，液滴小于罂粟籽，但Katsikis表示，系统的物理学表明它可以更小。结合磁场可以同时控制数百万滴漏的事实，这使得系统非常可扩展。

“我们可以继续使它更小，更小，以便每次可以做更多的操作，因此它可以使用较小的液滴尺寸，并在芯片上做更多数量的操作，”研究生和共同作者Jim Cybulski表示。“这非常适合各种应用程序。”

Prakash表示，最直接的应用可能涉及将计算机转化为高吞吐量化学和生物学实验室。每次液滴都可以携带一些化学品并成为其自己的试管，而不是在散装试管中运行反应，而是可以对这些相互作用进行前所未有的控制。

从基础科学的角度来看，Prakash表示，为什么这项工作如此令人兴奋的一部分，这是它开辟了一种在物理世界中思考计算的新方式。尽管以前已经应用了计算的物理学以了解计算的限制，但是信息位的物理方面从未被利用为在Messcale（10微米至1毫米）上操纵物质的新方法。

由于系统非常强大，团队已发现通用设计规则，Prakash计划为公众提供这些液滴电路的设计工具。任何一群人现在都可以将基本逻辑块划合在一起，并使他们想要的任何复杂的液滴电路。

“我们非常有兴趣参与任何想要玩的人和每个人，以使每个人都根据我们在本文中描述的构建块设计新电路，或发现新块。现在，任何人都可以把这些电路放在一起形成一个复杂的液滴处理器，没有外部控制 - 以前是一个非常困难的挑战，“普拉克斯说。

“如果您回顾社会的大型进展，计算需要一个特殊的地方。我们正试图带来同样的指标，因为我们在数字世界中进入物理世界。“

出版物：Georgios Katsikis等，等，“同步通用液滴逻辑和控制”，自然物理，2015; DOI：10.1038 / nphys3341

图像：Kurt Hickman.