29、微化学机械系统计算探索

微化学机械系统计算探索

1. 引言

化学信息处理以化学浓度作为信息载体。上世纪50年代末，贝洛索夫 - 扎博京斯基反应的发现是这一新兴领域的关键一步。80年代，光敏贝洛索夫 - 扎博京斯基化学品可用于化学图像处理得到证明。90年代，基于反应 - 扩散过程的元胞自动机在理论上得到构建。本世纪初，实验验证了反应 - 扩散系统可用于设置逻辑门。如今，化学计算的理念已发展到其核心概念被用于基于软件的人工化学计算方案的程度。

普拉卡什和格申菲尔德利用气泡微流体实现了包括逻辑门、触发器、计数器、振荡器和调制器等基本逻辑计算方案。然而，从计算角度来看，连续微流体的发展相对滞后。目前，大规模集成微流体主要由微机电系统主导，流体通过气动控制的阀门来引导，数千个阀门可集成到单个芯片上。但这些系统存在一些问题，阀门需外部控制单元，成本高，可扩展性可能受限，且流体与控制之间缺乏直接反馈机制。

为解决这些问题，我们引入了微化学机械微流体系统（μCHEMS）的概念。其用于流量控制的阀门基于相变聚合物，是直接由流体控制的有源组件。与电子冯·诺依曼CPU类似，控制单元和执行单元集成在芯片上，可扩展性不受外部控制需求的限制，智能阀门具有内在的决策能力，适用于采样、布尔函数和条件结构等计算操作。μCHEMS有两个潜在应用：一是作为“超越CMOS技术”，在非常规计算机的构建中发挥重要作用；二是将计算机科学、信息理论和信号处理方法引入微流体，有助于构建更易操作、更快且多功能的化学分析和合成系统。

2. 实验基础

2.1 材料基础

化学机械阀门的基础是相变聚合物，即至少能改变一次性质（如体积或机械特性）的聚合物，这种体积变化用于打开或关闭流体通道。我们的