La pneumatica informatica acquista importanza

La pneumatica informatica è importante.

La potenza dei sistemi di calcolo elettronico odierni non è oggetto di dibattito. È possibile elaborare enormi volumi di dati, eseguire software complessi e gestire una serie di compiti che un tempo sarebbero sembrati impensabili.

Tuttavia, questi sistemi non sono ideali per molti ambienti e determinati casi d’uso. Richiedono una presa elettrica o una batteria e possono essere ingombranti da controllare perché richiedono un’interfaccia che deve collegare il mondo fisico ed elettronico.

Come risultato, i bioingegneri stanno esplorando alternative nel campo della microfluidica. Nel giugno 2023, i ricercatori dell’Università della California, Irvine (UC Irvine) e della California State University, Long Beach (CSULB) hanno riportato una svolta nel campo della microfluidica nel giornale Science Advances. Hanno sviluppato un computer pneumatico che utilizza la pressione anziché l’elettricità per codificare e decodificare i dati su un dispositivo lab-on-a-chip.

“La tecnologia della microfluidica può portare significativi progressi in applicazioni che vanno dal test epidemiologico al monitoraggio ambientale e alla sicurezza alimentare”, afferma Elliot Hui, professore associato di ingegneria biomedica presso UC Irvine e autore principale del paper.

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La tecnologia ha anche applicazioni nella robotica morbida e nelle protesi mediche.

“I sistemi lab-on-a-chip odierni devono di solito essere accompagnati da un’apparecchiatura elettromeccanica per collegare i componenti elettronici e fluidici. Stiamo cercando di eliminarlo”, ha detto Hui.

William Grover, professore associato di bioingegneria presso l’Università della California, Riverside, e pioniere nel campo della microfluidica, aggiunge: “Questi sistemi pneumatici prendono un’antica idea di calcolo senza elettricità e la rendono fattibile per il controllo di una varietà di sistemi biologici e chimici avanzati.”

Calcolo sotto pressione

L’idea di costruire dispositivi di calcolo che sfruttano i sistemi di fluidi non è nuova. Grover fa notare che oltre un secolo fa, i pianoforti automatici utilizzavano l’aria per leggere le canzoni che venivano perforate in rotoli di carta. Vari altri sistemi di calcolo hanno incorporato acqua, aria o altri elementi.

“La pneumatica è stata a lungo considerata un modo valido per calcolare. Ma con l’emergere dell’elettronica a basso costo, l’attenzione si è spostata soprattutto verso la costruzione di sistemi di calcolo più potenti ed economici alimentati dall’elettricità”, spiega Grover.

I sistemi lab-on-a-chip odierni, utilizzati per compiti come i test Covid o la coltura di cellule, hanno capacità di bordo estremamente limitate o si affidano a un dispositivo di calcolo separato, spesso grande, ingombrante e costoso, per controllare funzioni specifiche.

Il sistema sviluppato dal gruppo attuale di ricercatori elimina la necessità di qualsiasi dispositivo esterno. “Il significato di questo dispositivo è che non solo può calcolare, ma può anche controllare sistemi fluidici”, spiega Siavash Ahrar, professore assistente presso il Dipartimento di Ingegneria Biomedica presso CSULB e membro del gruppo di ricerca. “Possiamo manipolare la pressione dell’aria per ottenere un risultato desiderato.”

Il team di ricerca ha sviluppato un foglio di silicone spesso 0,25 millimetri e lo ha posizionato tra due sottili lastre di vetro incise con piccoli canali. Le valvole si aprono e si chiudono piegando il foglio di silicone, un processo che imita i transistor elettronici. Variazioni di pressione all’interno dei canali emulano il modo in cui i computer convenzionali utilizzano le fluttuazioni di tensione per produrre codice binario.

In questo caso, un “1” rappresenta la pressione del vuoto e uno “0” è la pressione atmosferica. Sostituendo piccoli fogli di silicone che funzionano come schede perforate, è possibile costruire un dispositivo di calcolo completo che può essere programmato. “Ciò si traduce in un sistema lab-on-a-chip che è piccolo, flessibile e potenzialmente poco costoso”, dice Hui.

Il tocco giusto

L’emergere della pneumatica come strumento di calcolo potrebbe modificare molti settori e portare a nuove innovazioni. Fornirebbe metodi economici di test per i virus, aiuterebbe a monitorare la sicurezza alimentare e a individuare contaminanti e inquinanti ambientali. Inoltre, è possibile evolversi oltre la semplice verifica dell’esistenza di un patogeno o una particella, qualcosa che già i kit di test di oggi possono fare.

“Programmando un dispositivo per eseguire diluizioni, è possibile rilevare livelli di concentrazione, come il carico virale per un paziente o il livello preciso di contaminazione per un campione di acqua o aria”, afferma Ahrar. “È possibile ottenere un’analisi molto più dettagliata e precisa a un prezzo molto più basso.”

Non solo la logica pneumatica autonoma offrirebbe enormi benefici diagnostici nei laboratori, negli ospedali e negli ambienti ambientali, ma la tecnologia permette test lab-on-a-chip in luoghi in cui non sono mai stati disponibili, afferma Ahrar. “Ciò rende possibile portare i test clinici sul campo, compresi i paesi in via di sviluppo e altre località tradizionalmente escluse dai test.”

Un altro settore che potrebbe beneficiare della computazione pneumatica è la robotica morbida e le protesi, dice Ahrar. Questi dispositivi, tipicamente costruiti con gomma di silicone, vengono sempre più utilizzati per la riabilitazione e per lavorare con bambini affetti da disabilità o traumi. I robot morbidi operano con impulsi di pressione, tipicamente generati da un computer collegato al dispositivo tramite un gran numero di valvole e tubi.

Tagliare cavi e fili ridisegnerebbe il modo in cui questi dispositivi vengono utilizzati. “I sistemi tradizionali sono ingombranti e difficili da gestire”, afferma Ahrar. “Un dispositivo pneumatico potrebbe cambiare tutto questo. Offrirebbe tutte le funzionalità di un computer convenzionale su un robot morbido autonomo.”

Oltre l’elettronica

Costruire un dispositivo pneumatico per il calcolo commercialmente valido deve ancora affrontare difficoltà. Ad esempio, il sistema sviluppato da Hui e dal suo team contiene solo quattro bit di dati e ha una logica e circuiti integrati limitati. Di conseguenza, offre solo funzionalità di base. “È ancora necessario un notevole lavoro per sviluppare un sistema completamente funzionale e produrre dispositivi su larga scala”, afferma Hui.

Tuttavia, i ricercatori continuano a sperimentare con diverse configurazioni di sistema e ad incorporare la stampa tridimensionale nel processo di progettazione, il che potrebbe portare a sistemi più flessibili ed economici. Aziende farmaceutiche e altre hanno manifestato interesse per la tecnologia, che potrebbe contribuire a rendere i sistemi attuali lab-on-a-chip molto più potenti e flessibili.

Grover afferma che la tecnologia potrebbe anche rendere il settore sanitario più efficiente, consentendo agli ospedali di riprogrammare i dispositivi medici per utilizzi diversi, anziché richiedere dispositivi separati per tutto. “Come uno smartphone che gestisce le attività che un tempo richiedevano dispositivi dedicati separati, la logica pneumatica potrebbe rendere più facile per un dispositivo eseguire programmi diversi e svolgere funzioni diverse”, spiega.

Conclude Hui: “La microfluidica offre molte possibilità intriganti.”

Samuel Greengard è un autore e giornalista con sede a West Linn, Oregon, USA.