Akan suda bellek: elektronik olmadan sıfır ve bir tutan mikroakışkan çip

Mikroakışkan ne demek

Mikroakışkan (microfluidics), sıvıların saç teli kalınlığındaki kanallarda, mikrolitrelik hacimlerle yönetildiği mühendislik alanı. Bugün hastane dışında kan tahlili yapan çip üstünde laboratuvar cihazları, DNA analiz kartuşları, damlacık üreteçleri hep bu alandan çıktı. Ama bu cihazların neredeyse tamamında karar veren parça çipin kendisi değil: dışarıdaki pompa, elektrikle açılıp kapanan valf ve onları süren bir denetleyici. Çip yalnızca sıvının geçtiği boru tesisatı.

Yale ekibinin yaptığı şey, kararı tesisatın içine taşımak. Rajput'un Yale Mühendislik duyurusunda anlattığı gibi: "Geleneksel mikroakışkan sistemler etkin bileşenlere dayanırken, bu sistem bilgiyi edilgen biçimde depolamak için mikrolifler kullanıyor." Yani lifi iten ya da çeken bir motor yok; onu çeviren tek şey suyun kendi akışı.

Suyun lifi bükmesi, lifin suyu yönlendirmesi

Mekanizma üç adımlı kapalı bir döngü. Akış lifi iterek büker; bükülen lif kanalın geçişini daraltıp genişleterek hidrolik direnci değiştirir; direnç değişince su kanallar arasında yeniden paylaşılır ve lifin üzerindeki yük başkalaşır. Makalenin adlandırmasıyla bu elastohidrodinamik geri besleme, lifi iki kararlı duruşu olan bir anahtara çeviriyor.

Bu tür iki kararlı öğelere fizik yazınında histeron deniyor: açılma ve kapanma eşikleri birbirinden farklı olduğu için hangi yoldan gelindiğini hatırlayan birimler. Şimdiye kadarki örnekleri neredeyse tümüyle katı cisimlerden geliyordu; bir plakanın burkulması, bir kabuğun içi dışına çevrilmesi gibi. Rajput ve Pahlavan'ın katkısı, aynı fiziğin hiçbir katı yapı kararsızlığına gerek duymadan, yalnızca akışla elde edilebileceğini göstermek.

Sıçramanın büyüklüğü lifin boyunun kanal genişliğine oranına bağlı: makalede bildirilen ölçümlerde sıçrama miktarı, bu oranın kritik değerinden uzaklığının karekökü gibi büyüyor. Matematikte sivri uç katastrofu (cusp catastrophe) denen eşik yapısının imzası bu. Uzun lifler kritik akış hızının üzerinde kesintili bir sıçrama yapıyor; kısa lifler yalnızca yumuşakça bükülüp geri dönüyor. Kanalın yanına açılan bir baypas kanalı ise iki kararlılığın biçimini değiştiriyor, hatta tümden ortadan kaldırabiliyor.

Ölçülen değerler

Aşağıdaki sayıların tamamı Physical Review X'teki makalenin deney bölümünden. Deneyler tümüyle fiziksel; benzetim değil. Lifler, kanalın içinde yerinde ışıkla sertleştirilen bir hidrojelden (PEGDA) üretilmiş.

Kanal yüksekliği olan 80 mikrometre bir saç telinin kalınlığı mertebesinde; Yale'in duyurusu bunu bir saç telinin yarısı kadar diye anlatıyor. Akış hızlarının üst sınırı saniyede 1 mikrolitre: bir çay kaşığı suyun bu kanaldan geçmesi yaklaşık bir buçuk saat sürer. Yavaşlık bilinçli bir tercih; makale, eylemsizlik etkilerini tümden devre dışı bırakmak için akışın yarı durağan tutulduğunu belirtiyor.

İki lif, dört durum

İşin ilginçleşmesi lifler birbirini görmeye başladığında oluyor. Baypas kanalı suya alternatif bir yol vererek liflerin birbirinin eşiklerini değiştirmesini sağlıyor; makale buna uzun erimli hidrolik etkileşim diyor. Bağımsız iki lif, akış yükseltilip düşürülürken 00, 01, 11, 10 ve yeniden 00 dizisini izliyor; her lif kendi eşiğinde, sırayla devriliyor. Rajput'un sözleriyle: "Bu lifler etkileşecek biçimde de düzenlenebiliyor; yani birbirlerinin fiziksel durumunu karşılıklı etkiliyorlar ve bu da sistem çapında karmaşık bir belleğin doğmasını sağlıyor."

Etkileşim zayıfken sistem dönüş noktası belleği denen düzgün davranışı gösteriyor: akışı daha önce uğradığınız bir uç değere geri getirdiğinizde lifler de o andaki duruşlarına dönüyor. Buruşturulup açılan bir kâğıdın kıvrımının aynı yerde kalması ya da bir mıknatısın mıknatıslanma döngüsü de aynı aileden. Ama baypas kanalı daraltılıp etkileşim güçlendiğinde bu düzen bozuluyor: tek bir akış değişikliği birkaç lifi birden deviriyor ve sistem daha önce uğradığı duruma geri dönmüyor. Makale buna çığ benzeri ardışık anahtarlama ve dönüş noktası belleğinin ihlali diyor.

Bu, ilk bakışta bir kusur gibi görünse de aslında daha zengin bir davranış. Etkileşmeyen lifler yalnızca birbirinden habersiz bitlerdir; etkileşenler ise topluca tek bir duruma sahip.

Akışkanla hesaplama yeni bir fikir değil

Elektronik yerine sıvı ve gazla hesaplama düşüncesinin kendi tarihi var. 1960 yılında ABD Ordusu'na bağlı, sonradan Harry Diamond Laboratuvarları adını alan laboratuvar, hiçbir hareketli parçası olmayan bir akışkan yükselteci duyurdu: iki akışkan jetinin momentumunu karşılaştırarak ana akışı saptıran, böylece bir transistörün işini havayla yapan bir parça.

Dört yıl sonra, 1964 Sonbahar Ortak Bilgisayar Konferansı'nda UNIVAC mühendisleri R. S. Gluskin, M. Jacoby ve T. D. Reader FLODAC adıyla tümüyle akışkanlarla çalışan bir sayısal bilgisayar tanıttı. Bildirilerinde verdikleri sayılar bugün insanı gülümsetiyor:

• Yaklaşık 250 NOR kapısı; başka hiçbir mantık öğesi yok.
• Dört komut, dört sözcüklü bellek, her sözcük dört bit: toplam 16 bit.
• Besleme basıncı 20 inç su sütunu, yani yaklaşık 0,8 psi.
• Saat hızı saniyede 10 çevrim; daha derli toplu paketlenmiş basit devrelerde saniyede 250 çevrime kadar çıkılabilmiş.

Ekip, havada işaretin elektrik telindekinden yaklaşık bir milyon kez yavaş yayıldığını hatırlatıp, akışkan dünyasında saniyede 10 çevrimin elektronikteki 10 megahertze karşılık geldiğini savunuyordu. Yine de bildirinin sonunda kendi sorusunu kendileri soruyor: böyle bir bilgisayarın mümkün olduğu gösterildi, peki istenir mi? Elektroniğin sonraki yirmi yıldaki hızlanması bu soruyu kapattı; akışkan mantık, elektroniğin zorlandığı dar alanlara çekildi.

Alan 2007'de bir kez daha canlandı: MIT'deki Bits and Atoms Merkezi'nden Manu Prakash ve Neil Gershenfeld, Science dergisinde (cilt 315, sayfa 832) mikroakışkan baloncuk mantığını yayımladı. Orada bit, kanalda ilerleyen bir hava baloncuğuydu; baloncukların birbiriyle hidrodinamik etkileşimi AND, OR ve NOT kapıları, bir ikili saklayıcı, bir sayıcı ve bir halka osilatörü kurmaya yetiyordu. Yale'in çipinin bundan farkı belirgin: baloncuk mantığında bilgiyi taşıyan şey hareket halindeki baloncuk, yani sürekli beslenmesi gereken bir akış. Liflerde ise akış değişmediği sürece duruş olduğu yerde kalıyor.

Neden elektronik yerine akışkan

Pahlavan'ın Yale duyurusunda işaret ettiği kullanım alanı yumuşak robotlar. Böyle bir robotta sıvının basıncı ve akış hızı elektrik akımının yerini alıyor, lifler valf, kanallar da bağlantı görevi görüyor. "Bu ortamların çoğunda elektronik, elektromanyetik girişim ya da başka sorunlar yüzünden çalışamayabilir," diyor Pahlavan. "Buradaki fikir, yumuşak bir robotun içine yerleştirilebilecek ve etkin biçimde onun beyni gibi davranabilecek, tümüyle akışkan bir denetleyici tasarlamak."

İkinci bir gerekçe de var: çip üstünde laboratuvar cihazlarında işlenen şey zaten sıvı. Numunenin kendi akışıyla mantık kurulabiliyorsa, araya elektrik koymanın maliyeti ve kırılganlığı ortadan kalkıyor.

Sınırları

Bu çipin bir bellek yongasıyla yarışması söz konusu değil; makale de böyle bir iddia taşımıyor. Üç somut sınır var.

Ölçek. Dizide on lif var, yani on bit. Bir avuç içindeki yongada milyarlarca transistör bulunuyor. Dahası lifler birbirini etkilemeye başladığında eşikler düzenin tümüne bağlı hale geliyor; lif sayısı arttıkça sistemi istenen duruma getirmek kolaylaşmak yerine zorlaşıyor.

Hız. Deneyler Reynolds sayısının 1'den çok küçük olduğu, eylemsizliğin ihmal edildiği yarı durağan rejimde yapıldı. Bu, ölçülen fiziği temiz tutuyor ama hızın ne kadar yukarı çekilebileceği konusunda bir şey söylemiyor. Akışkan sistemlerin 1964'teki en büyük engeli de buydu.

Öğrenme yok. Sistem geçmişi tutuyor, geçmişe göre kendini değiştirmiyor. Yale'in duyurusu bunu doğrudan uzun vadeli bir soru olarak koyuyor: bu akışkan ağlar yararlı işler yapmak üzere eğitilebilir mi? Eğitim, sistemin tepkisini istenen sonuca doğru kalıcı biçimde kaydırmak anlamına geliyor ve bu çalışma o adımı içermiyor.

Sırada ne var

Makalenin kendi işaret ettiği yön topoloji. Şimdiye kadar lifler düz bir seri dizide denendi; yazarlar bunun ötesine geçip halkalı, ağaç biçimli ya da düzensiz çizge yapıları kurmanın topolojiye bağlı etkileşimler getireceğini söylüyor. Başka bir deyişle aynı liflerle, yalnızca boru şemasını değiştirerek bambaşka bir bellek davranışı elde edilebilir.

İkinci yön biyolojiye bakıyor. Yale'in duyurusu, bu tür akışkan ağların mantar ipliklerinde, bitki köklerinde ve labirentin en kısa yolunu bulabilen beyinsiz tek hücreli cıvık mantarda görülen bellek benzeri davranışlar için bir model olabileceğini öne sürüyor. Bu canlıların ortak özelliği, karar verecek bir merkezi olmamasına karşın içinden geçen su ve besin akışlarının geçmişine göre davranmaları. Eğer saç telinden ince bir kanalda duran tek bir lif, hiçbir denetleyiciye ihtiyaç duymadan geçmişi tutabiliyorsa, hatırlamak için en az neyin gerektiği sorusu yeniden açılıyor.

Fotoğraf: National Institute of Standards and Technology, Public domain, Wikimedia Commons