Onderzoekers van de Universiteit Twente slaagden erin met chemische reacties enkele wiskundige functies te simuleren. De hoop is dat dit uiteindelijk tot energiezuinige computers zal leiden.
Hoewel de meeste rekenmachines met elektrische stroompjes werken, kan het ook anders: met chemische reacties. Variërende concentraties van bepaalde stoffen of het ontstaan van nieuwe chemische verbindingen zijn immers signalen, die gebruikt kunnen worden om te communiceren en te redeneren. Het is de manier waarop levende wezens informatie verwerken.
Energiezuinig
Het grote voordeel van deze chemische manier van rekenen, is dat het veel minder energie kost dan het systeem met enen en nullen (elektrische schakelingen die open dan wel dicht staan) waarop elektronische computers draaien. Maar hoewel computers op stroom al heel ver ontwikkeld zijn, staan rekenmachines gebaseerd op chemische reacties nog in de kinderschoenen.
Onderzoekers van de Universiteit Twente hebben dit ‘rekenen met moleculen’ nu een stap verder gebracht. Zij slaagden er in enkele wiskundige functies te emuleren (na te bootsen) met behulp van een chemische reactie, die werd aangestuurd door metaalionen. Afgelopen vrijdag publiceerden ze hun bevindingen in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications.
Wiskundige functies
De wiskundige relaties waarmee het nieuw ontwikkelde chemische systeem overweg kan, zijn lineaire functies van het type y = ax + b (de rechte lijn), kwadratische functies van het type ax2 + bx = c (de parabool) en boolean functies – stellingen die waar of onwaar kunnen zijn (denk aan de enen en nullen van de gewone computer).
Chemie
De taak van de toegevoegde metaalionen in dit proces was het reguleren van de chemische reactie die trypsinogeen omzet naar trypsine– een reactie die zich in het menselijk lichaam in de dunne darm afspeelt.
Als er geen chemisch evenwicht is, zal een reactie ofwel uitdoven ofwel volledig uit de bocht vliegen – denk bij dit laatste aan reacties die zowel warmte nodig hebben als warmte produceren, en daardoor na de start steeds sneller zullen gaan. De reactie waarbij het molecuul trypsinogeen wordt omgezet naar trypsine is van die laatste categorie: trypsine zet trypsinogeen tot de omzetting aan.
Het toevoegen van metaalionen kan de reactie dempen en zo bijsturen. De onderzoekers maakten hiermee een systeem dat in twee toestanden kan blijven hangen – net als de schakelaars in een elektronische computer – en andere eigenschappen heeft als het daarvoor van een hoge naar een lage concentratie op weg was dan andersom. Hiermee heeft het systeem dus tevens een geheugen.
De ontdekking biedt mogelijkheden om eenvoudige chemische netwerken te programmeren voor toepassingen in kunstmatige intelligentie en slimme materialen.
Kunstmatig brein
Ook in Eindhoven experimenteert men met computers die natuurlijke processen nabootsen. ‘Maar onze onderzoeksvraag is denk ik iets basaler geformuleerd’, zegt chemicus Albert Wong van de afdeling ‘Moleculen en Materialen’ van de Universiteit Twente, één van de auteurs van het Nature-artikel. ‘In Eindhoven baseren ze zich op de vraag: kunnen we het brein namaken?, terwijl onze groep wil nagaan: hoe rekenen moleculen?’
Slijmzwammen
Wong vergelijkt de Twentse vorm van rekenen eerder met organismen zoals slijmzwammen, venusvliegenvangers of octopussen dan met het brein.
Slijmzwammen zijn eencelligen die zich samen als ‘klodder’ naar voedsel toe kunnen bewegen, venusvliegenvangers zijn planten met kleppen die dichtgaan zodra een gelande vlieg een bepaalde drempelwaarde overschrijdt in de tijdsduur of kracht van zijn contact met de haartjes op die kleppen. Wong: ‘En beiden hébben niet eens een brein. Octopussen wel, maar dan niet op één centrale plek. Ongeveer 70 procent van hun brein zit de tentakels.’
Rekenen in de natuur
Al deze organismen worden aangestuurd door chemische signalen, die ontstaan als moleculen met elkaar interacteren. Wong: ‘Mijn drijfveer is de vraag hoe leven werkt. Hoe rekenen cellen – en wat ís rekenen eigenlijk in de natuur? Het is in feite dezelfde vraag die de wiskundige Alan Turing zichzelf stelde, voor hij met het algoritme kwam dat aan de basis staat van onze ‘gewone’ computers.’
Het onderzoek uit Twente is dus niet alleen van belang voor het ontwikkelen van nieuwe computers, maar kan ook een bijdrage leveren aan de zoektocht naar het begin van het leven.
Openingsbeeld: Molecuulstructuur van trypsine, Depositphotos
Nieuwsbrief
Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.