[论文解读] 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 4

一句话总结

本文全面回顾了自19世纪以来液体计算设备的发展历程，涵盖从水力计算器到现代反应-扩散系统和液滴系统的各类技术。研究展示了液体如何通过流体动力学、化学反应和物理相互作用，作为计算的多功能基质，凸显其在非传统、仿生及能效高效计算架构方面的潜力。

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.

研究动机与目标

• 记录并分析自19世纪至今液体计算设备的演变历程。
• 通过流体动力学、化学反应和物理相互作用，展示液体在计算中的多功能性。
• 突出被忽视的历史原型与现代微流体系统，作为非传统计算的可行平台。
• 通过展示液体基质在构建自适应、低功耗和生物启发计算系统方面的潜力，激发未来研究。

提出的方法

• 本文采用时间顺序与设备分类相结合的方法，系统梳理历史与当代的液体计算设备。
• 分析了1901年发明的水力代数机械，该装置通过几何浸入法利用水位位移求解代数方程。
• 研究了流体逻辑系统，其中压力与流量在气动或液压通道中表示布尔逻辑状态。
• 详细阐述了反应-扩散计算机，其利用可激发化学介质（如Belousov-Zhabotinsky反应）中的传播波前执行逻辑运算。
• 探讨了液滴与液滴珠系统，通过液滴间的物理碰撞或化学扩散实现逻辑门功能。
• 综述了微流体与乳化系统，包括BZ囊泡与液滴，其信号传输通过扩散性试剂或波传播实现。

实验结果

研究问题

• RQ1 在电子计算机出现之前，液体系统如何历史地解决数学与计算问题？
• RQ2 液体通过何种物理与化学机制实现信息的表示、传输与处理？
• RQ3 现代微流体与反应-扩散系统如何利用液体基质实现可靠的逻辑运算？
• RQ4 与电子或机械系统相比，液体计算系统具有哪些优势与局限性？
• RQ5 液体计算系统能否实现复杂、可重构且可逆的计算架构？

主要发现

• 1901年发明的水力代数机械利用抛物面形容器中的水位位移，通过等效水重与目标幂次的关系，计算任意数的n次方根。
• Lukyanov于1936年设计的水力积分器与Phillips于1949年开发的计算机，利用流体流动与压力求解微分方程并模拟动态系统。
• 1949年发明的流体绘图仪利用流体流动探索并映射模板，通过可视化流路解决迷宫问题。
• Belousov-Zhabotinsky（BZ）反应-扩散系统通过波前相互作用，实现了Voronoi图与形状骨架的计算。
• 基于液滴的逻辑系统，包括趋化性液滴与压力驱动液滴，通过受控碰撞与流动路径实现迷宫求解与逻辑门运算。
• BZ液滴与乳化体系中的囊泡展示了信号传输、记忆功能以及XOR与NOR等布尔逻辑门的实现，其机制依赖于扩散耦合与波传播。