La computadora neumática usa presión en lugar de electricidad

Un chip de computadora hecho de vidrio y silicona contiene líquidos que se mueven de un lado del chip al otro en reacción a los cambios de presión. Esto se ha utilizado para controlar y automatizar experimentos bioquímicos miniaturizados.

Por Karmela Padavic-Callaghan

2 junio 2023

Un chip de computadora hecho de vidrio y silicona, con canales que contienen líquidos.

Laboratorio Hui en UC Irvine

Una computadora neumática hecha de vidrio y silicona usa presión en lugar de electricidad para codificar datos. Puede permitir que un dispositivo del tamaño de un chip realice procedimientos que generalmente realizan los técnicos en los laboratorios.

Los dispositivos de laboratorio en un chip se han buscado durante décadas como alternativas más pequeñas, más baratas y portátiles a la bioquímica de rutina manual con cristalería tosca. Si bien algunos experimentos bioquímicos se han miniaturizado, incluidos cultivos celulares en crecimiento y órganos diminutos, la mayoría de estos dispositivos requieren mucho más equipo que un simple chip.

"Podrías sostener el chip en tu mano, y todo sucedería en ese chip, pero si te alejaras, verías una caja del tamaño de un refrigerador que lo está controlando. Eso no es realmente un laboratorio en un chip". dice Elliot Hui de la Universidad de California, Irvine. Él y sus colegas se propusieron reemplazar esa enorme caja con una pequeña computadora que no necesita electricidad y cabe dentro de cada lab-on-a-chip.

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Intercalaron una lámina de silicona de 0,25 milímetros de espesor entre dos paneles delgados de vidrio. Grabaron pequeños canales en el vidrio para que los líquidos necesarios para las reacciones químicas pudieran fluir a través de ellos y luego perforaron pequeños agujeros en la capa de silicona para conectar los canales entre los dos paneles.

Las diferencias en la presión empujaron los líquidos a través de los canales, lo que imita la forma en que los cambios de voltaje hacen que la electricidad fluya a través de los cables en los chips electrónicos de las computadoras. Designaron la presión de vacío baja como "1" y la presión atmosférica como "0", y agregaron válvulas diminutas que pueden intercambiar los dos valores. Esto convirtió el chip en una computadora neumática.

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Para codificar programas, usaron diferentes láminas de silicona como "tarjetas perforadas" y para ingresar datos encontraron un método simple para cambiar la presión: colocaron los dedos sobre los puntos designados.

El chip más complejo que hizo el equipo contenía cuatro bits de información y realizaba un procedimiento llamado dilución en serie, que determina la concentración de una sustancia química disuelta en un líquido. Por lo general, un investigador pipetearía repetidamente el líquido de un cilindro de vidrio a otro, pero el chip lo hizo de forma autónoma y en miniatura, siguiendo pasos preprogramados. Hui dice que con la adición de un chip de computadora neumático, los llamados dispositivos de microfluidos que ya usamos, como las pruebas de covid-19 en el hogar, podrían determinar no solo si hay un virus presente, sino también en qué concentración.

William Grover de la Universidad de California, Riverside, dice que la automatización de chips sin componentes electrónicos fuera del chip es increíblemente útil. "Este enfoque puede eliminar el 99 por ciento del costo de algunos instrumentos de microfluidos y hacerlos más pequeños y fáciles de construir", dice.

Si es lo suficientemente avanzada desde el punto de vista computacional, esta tecnología podría ser útil como un producto listo para usar en biomedicina para experimentos con muchos insumos, como el cultivo de tejido en chips, dice Albert Folch, de la Universidad de Washington en Seattle. Él dice que las válvulas en la computadora neumática aún no pueden hacer todo lo que hacen los transistores en los chips electrónicos, pero es probable que la potencia computacional de la computadora neumática aumente en el futuro.

Las computadoras neumáticas podrían controlar laboratorios bioquímicos miniaturizados, pero también podrían convertirse en "cerebros" para robots blandos, dice Siavash Ahrar de la Universidad Estatal de California en Long Beach, quien trabajó en el proyecto. El aire y la presión ya se usan para hacer que algunos robots se muevan, y ahora también podrían usarse para ayudar a los robots a tomar decisiones a través de cálculos simples, dice.

Referencia de la revista:

Avances científicos DOI: 10.1126/sciadv.adg0201

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