“气动计算获得重要性的空气”
Importance of air in pneumatic calculations
当今电子计算系统的强大并不是一个争论的焦点。我们可以处理大量的数据，运行复杂的软件，并处理一系列以前似乎难以想象的任务。
然而，这些系统并不适合许多环境和特定用例。它们需要电源插座或电池，并且由于需要桥接物理和电子世界的接口，因此它们的控制可能很麻烦。
因此，生物工程师正在微流探索替代方案。2023年6月，加利福尼亚大学尔湾分校（UC Irvine）和加利福尼亚州立大学长滩分校（CSULB）的研究人员在《科学进展》杂志上报告了一个突破。他们开发了一种气动计算机，该计算机使用压力而不是电力在芯片上编码和解码数据。
“微流技术可以在流行病学检测、环境监测和食品安全等应用中取得重大进展，”加利福尼亚大学尔湾分校的生物医学工程副教授艾略特·辉（Elliot Hui）说道，他也是该论文的主要作者。
该技术还可以应用于软体机器人和医疗假肢。
“当今的芯片实验室系统通常需要配备大型电—机械设备，以在电子和流体元件之间进行接口。我们希望消除这一点，”辉说。
加利福尼亚大学河滨分校生物工程副教授、微流领域的先驱威廉·格罗弗（William Grover）补充道：“这些气动系统采用了一种无需电力的古老计算概念，并使其成为控制各种先进生物和化学系统的可行方案。”
压力下的计算
利用流体系统构建计算设备的想法并不新鲜。格罗弗指出，一个多世纪前，自动钢琴使用气压来读取打孔在纸卷上的乐曲。其他各种计算系统也采用了水、气体或其他元素。
“气动技术长期以来一直被视为一种可行的计算方式。但随着低成本电子产品的出现，人们的关注重点主要转向了以电力为动力的更强大和更便宜的计算系统，”格罗弗解释道。
用于 Covid 测试或细胞培养等任务的芯片实验室系统，要么拥有极其有限的内置功能，要么依赖于单独的计算设备 – 通常是大型、笨重且成本高达数万美元 – 来控制特定功能。
当前研究小组开发的系统消除了对任何外部设备的需求。研究小组成员、加利福尼亚州立大学长滩分校生物医学工程系助理教授 Siavash Ahrar 解释说：“这个设备的重要性在于它不仅可以计算，还可以控制流体系统。我们可以通过调节气压来实现预期结果。”
研究团队开发了一张厚度为0.25毫米的硅胶薄片，并将其放置在两片刻有微小通道的薄玻璃之间。阀门通过挠曲硅胶薄片的方式打开和关闭 – 这个过程模拟了电子晶体管。通道内的压力变化模拟了传统计算机使用电压波动来产生二进制代码的方式。
在这种情况下，“1”代表真空压力，“0”代表大气压力。通过交换像打孔卡片一样的小硅胶薄片，可以构建一个可以编程的完整计算设备。“这意味着可以构建一个小型、灵活且潜在廉价的芯片实验室系统，”辉说。
恰到好处的触碰
气动技术作为一种计算工具的出现可能会改变许多领域，并带来新的创新。它将提供廉价的病毒测试方法，有助于监测食品安全，并检测环境污染物和污染物。此外，还可以超越仅仅测试病原体或微粒的存在，这是当今测试工具已经可以做到的。
“通过对设备进行编程来进行稀释，您可以检测浓度水平，例如患者的病毒载量或水样或空气样本的精确污染水平，”Ahrar说。“可以以更低的价格获得更详细和准确的分析。”
Ahrar说，独立的气动逻辑不仅将在实验室、医院和环境设置中带来巨大的诊断好处，而且该技术还使得实验室芯片测试可以在以前从未有过的地方进行。“这使得将临床测试带入实地成为可能，包括在发展中国家和其他传统上不被包括在测试范围内的地方。”
Ahrar说，气动计算还可以使软体机器人和假肢受益。这些装置通常由硅胶制成，越来越多地用于康复和与患有残疾或创伤的儿童合作。软体机器人通过压力脉冲工作，通常由通过大量阀门和管路与设备连接的计算机生成。
切断电缆将改变这些设备的使用方式。“传统系统笨重且难以管理，”Ahrar说。“气动设备可以改变这一点。它可以在独立的软体机器人上提供传统计算机的所有功能。”
超越电子
构建一个商业上可行的气动计算设备仍然面临困难。例如，Hui和他的团队开发的系统只能存储四位数据，并且具有有限的板载电路和逻辑。因此，它只能提供基本功能。“仍然需要大量工作来开发一个完全功能的系统并以规模制造设备，”Hui说。
尽管如此，研究人员继续尝试不同的系统配置，并将三维打印技术纳入设计过程中，这可能导致更灵活和便宜的系统。制药公司和其他公司对该技术表示了兴趣，这可能有助于使当前的实验室芯片系统更加强大和灵活。
Grover说，该技术还可以通过让医院为不同用途重新编程医疗设备，而不是要求分开的设备来使医疗更加高效。“就像智能手机处理以前需要单独的专用设备的任务一样，气动逻辑可以使一个设备更容易运行不同的程序和执行不同的功能，”他解释道。
Hui总结道：“微流控技术提供了许多有趣的可能性。”
Samuel Greengard是一位居住在美国俄勒冈州西林的作家和记者。
