[論文レビュー] The dry history of liquid computers

Andrew Adamatzky|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2018

Advanced Data Storage Technologies参考文献 23被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、19世紀から現代にかけての水圧計算機から反応拡散系やドロップレットベースのシステムに至るまで、100年以上にわたる液体ベースの計算装置の包括的な歴史的・技術的概要を提示している。液体が流体力学、化学反応、物理的相互作用を通じて計算のための多様な媒体として機能することを示し、非伝統的で生物学的模倣的かつエネルギー効率の高い計算アーキテクチャの可能性を強調している。

ABSTRACT

A liquid can be used to represent signals, actuate mechanical computing devices and to modify signals via chemical reactions. We give a brief overview of liquid based computing devices developed over hundreds of years. These include hydraulic calculators, fluidic computers, micro-fluidic devices, droplets, liquid marbles and reaction-diffusion chemical computers.

研究の動機と目的

• 19世紀から現在に至るまでに発展した液体ベースの計算装置の歴史的・技術的進化を記録・分析すること。
• 流体力学、化学反応、物理的相互作用を通じて液体がどのように計算の多様性を示すかを示すこと。
• 軽視されがちな歴史的プロトタイプと現代のマイクロ流体系を、非伝統的計算のための実用的プラットフォームとして浮き彫りにすること。
• 液体基盤が適応的でエネルギー効率が高く生物学的インスピレーションを受ける計算システムの構築にどのように寄与できるかを示し、将来の研究を奨励すること。

提案手法

• 論文は、年表的・デバイスベースの分類システムを用いて、歴史的および現代の液体計算デバイスを調査する。
• 水の体積変位を用いて代数的方程式を幾何学的浸漬けによって解く水圧代数機械を分析する。
• 圧力と流量が空気または液体のチャネル内でブール論理状態を表す、流体論理システムを検討する。
• 反応拡散コンピュータを詳細に記述し、Belousov-Zhabotinsky（BZ）反応のような活性化可能な化学媒体における波フロントの伝播を用いて論理演算を実行する。
• ドロップレット間の物理的衝突や化学的拡散によって論理ゲートを実装するドロップレットおよび液体マーブル系を検討する。
• マイクロ流体系およびエマルジョン系、特にBZビーゼルおよびドロップレットをレビューし、反応性物質の拡散や波の伝播によって信号伝送が行われることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電子計算機の登場以前に、液体ベースのシステムはどのように数学的・計算的問題を解決してきたか？
• RQ2 液体が情報の表現・伝送・処理にどのように物理的・化学的メカニズムを用いるか？
• RQ3 現代のマイクロ流体系および反応拡散系は、液体基盤を用いてどのように信頼性の高い論理演算を達成しているか？
• RQ4 電子的または機械的システムと比較して、液体ベースの計算の利点と制限は何か？
• RQ5 液体ベースのシステムは、複雑で再構成可能かつ可逆な計算アーキテクチャにスケーリング可能か？

主な発見

• 1901年の水圧代数機械は、パラボロイド型の容器内での水の体積変位を用い、水の質量と求めたい累乗根を等置することで、ある数のn乗根を計算していた。
• ルキャノフの1936年の水圧積分器とフィリップスの1949年のコンピュータは、流体の流れと圧力を用いて微分方程式を解き、動的システムをシミュレートしていた。
• 1949年のフロイドマッパーは、流体の流れを用いてテンプレートを探索し、流れの経路を可視化することで迷路を解いていた。
• Belousov-Zhabotinsky（BZ）反応拡散系は、波フロントの相互作用を通じて、形状のボロノイ図や骨格を計算する能力を示した。
• ドロップレットベースの論理システム、特に化学走性ドロップレットと圧力駆動ドロップレットは、制御された衝突と流れを用いて迷路を解き、論理ゲートを実装した。
• エマルジョン内でのBZドロップレットおよびビーゼルは、拡散結合と波の伝播を介して信号伝送、記憶機能、XORやNORなどのブール論理ゲートの実装を示した。