Notizia

Jun 23, 2023

Il computer pneumatico utilizza la pressione invece dell'elettricità

A computer chip made of glass and silicone holds liquids that move from one side

Un chip di computer in vetro e silicone contiene liquidi che si spostano da un lato all'altro del chip in reazione alle variazioni di pressione. Questo è stato utilizzato per controllare e automatizzare esperimenti di biochimica miniaturizzati

Di Karmela Padavic-Callaghan

2 giugno 2023

Un chip per computer fatto di vetro e silicone, con canali che contengono liquidi

Hui Lab presso l'UC Irvine

Un computer pneumatico in vetro e silicone utilizza la pressione invece dell'elettricità per codificare i dati. Può consentire a un dispositivo delle dimensioni di un chip di eseguire procedure che di solito vengono eseguite dai tecnici nei laboratori.

I dispositivi lab-on-a-chip sono stati perseguiti per decenni come alternative più piccole, economiche e portatili all'esecuzione manuale di biochimica di routine con ingombranti vetrerie. Sebbene alcuni esperimenti biochimici siano stati miniaturizzati – tra cui la coltivazione di colture cellulari e piccoli organi – la maggior parte di questi dispositivi richiede attrezzature molto più di un semplice chip.

"Potresti tenere il chip in mano e tutto accadrebbe su quel chip, ma se ingrandissi, vedresti una scatola delle dimensioni di un frigorifero che lo controlla. Non è proprio un lab-on-a-chip," dice Elliot Hui dell'Università della California, Irvine. Lui e i suoi colleghi hanno deciso di sostituire quell'enorme scatola con un minuscolo computer che non necessita di elettricità e può essere inserito in ogni lab-on-a-chip.

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Hanno inserito un foglio di silicone spesso 0,25 millimetri tra due sottili lastre di vetro. Hanno inciso minuscoli canali nel vetro in modo che i liquidi necessari per le reazioni chimiche potessero fluire attraverso di essi, quindi hanno praticato piccoli fori nello strato di silicone per collegare i canali tra i due vetri.

Le differenze di pressione spingono i liquidi attraverso i canali, il che imita il modo in cui i cambiamenti di tensione fanno fluire l’elettricità attraverso i fili nei chip dei computer elettronici. Hanno designato la bassa pressione del vuoto come "1" e la pressione atmosferica come "0" e hanno aggiunto minuscole valvole che possono scambiare i due valori. Ciò ha trasformato il chip in un computer pneumatico.

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Per codificare i programmi hanno utilizzato diversi fogli di silicone come "schede perforate" e per inserire i dati hanno trovato un metodo semplice per modificare la pressione: posizionavano le dita su punti designati.

Il chip più complesso realizzato dal team conteneva quattro bit di informazioni ed eseguiva una procedura chiamata diluizione seriale, che determina la concentrazione di una sostanza chimica disciolta in un liquido. Di solito, un ricercatore pipettava ripetutamente il liquido da un cilindro di vetro a un altro, ma il chip lo faceva in modo autonomo e in miniatura, seguendo passaggi preprogrammati. Hui afferma che con l’aggiunta di un chip pneumatico, i cosiddetti dispositivi microfluidici che già utilizziamo, come i test covid-19 a casa, potrebbero determinare non solo se è presente un virus, ma anche in quale concentrazione.

William Grover dell'Università della California, Riverside, afferma che automatizzare i chip senza alcuna elettronica esterna al chip è incredibilmente utile. "Questo approccio può eliminare il 99% del costo di alcuni strumenti microfluidici e renderli più piccoli e più facili da costruire", afferma.

Se sufficientemente avanzata dal punto di vista computazionale, questa tecnologia potrebbe essere utile come prodotto standard in biomedicina per esperimenti con molti input come la coltivazione di tessuti su chip, afferma Albert Folch dell’Università di Washington a Seattle. Secondo lui le valvole del computer pneumatico non possono ancora fare tutto ciò che fanno i transistor nei chip elettronici, ma la potenza di calcolo del computer pneumatico probabilmente aumenterà in futuro.

I computer pneumatici potrebbero controllare laboratori biochimici miniaturizzati, ma potrebbero anche diventare "cervelli" per robot morbidi, afferma Siavash Ahrar della California State University, Long Beach, che ha lavorato al progetto. L'aria e la pressione vengono già utilizzate per far muovere alcuni robot, e ora potrebbero essere utilizzate anche per aiutare i robot a prendere decisioni attraverso semplici calcoli, afferma.