[1993] Протеински чипови
Молекуларно електронски уређаји (Molecular Electronic Devices) јесте идеја на коју су визионари данашњих достигнућа у области молекуларне електронике дошли још давне 1974. године
Били су то Арирех Авриам и др Марк Ратнер, два водећа конструктора у IBM-у са Њујоршког универзитета. Идеје и визије ова два научника трансформисале су се током две деценије у низ реалних и практичних молекуларно-електронских компоненти. Али, треба проћи још доста времена да се ове компоненте сложе у првог човека (андроида) коме су отац и мајка молекуларна електроника…
Бројни теоретичари развоја компјутерске науке, и електронике уопште, све више заступају хипотезу да је на видику крај класичних електронских компонената базираних на старом добром “робу” – електрону. Њихова злослутна предвиђања поткрепљују чињеницом да се данас врше велике минијатуризације интегрисаних кола са високом скалом интеграције. У томе нарочито предњаче Јапанци, који данас серијски производе кола димензије микрона (10-6).
Чак је у ту сврху искоришћено доста непроучено агрегатно стање познато као плазма стање. Његова примена у ове сврхе, која је до данас теоријски доказана, довела би до милиона транзистора утискиваних у чипове веома малих димензија.
Крај силицијума
Полако али сигурно приближавамо се физичким границама електронике. Наравно, логично питање је како наћи излаз из тих граница, а одговор је још увек нејасан, јер се развојне технике крећу од опто-електронике до молекуларне електронике. Међутим, ниједна од ових наука не пружа целовит одговор на претходно питање, јер су опипљива достигнућа много мања од достигнућа класичне електронике. Ипак, све очи упрте су у скори брак између опто, класичне и молекуларне електронике.
Ранија истраживања у којима су, а и данас, предњачили амерички, британски и нарочито јапански научници, обухватала су развијање органских компоненти еквивалентних транзисторима, диодама, логичким колима и другим познатим пасивним елементима из класичне електронике. Међу њима највеће успехе пружио је такозвани пројекат НАНД ГЕЈТ, који је био својеврсно логичко коло урађено на бази органског једињења под именом порфирин. Ово логичко коло може бити основа за изградњу флип-флопова, појачивача и разних других компликованијих елемената који би се користили у биокомпјутерима.
НАНД ГЕЈТ је дело научне групе под вођством професора Роберта Бирџа при Карнеги Мелоун универзитету у САД. О овим подухватима писали смо у ранијим бројевима Света компјутера.
Јапан
Данас, на Далеком истоку, јапански биотехнолози покушавају могућност конципирања вештачког вида на бази природних материјала. Достигнућа класичне електронике, махом примењена у изградњи данашњих робота, у основи садрже употребу камере и сензора, а квалитет вида је мање него задовољавајући (на пример, проблем уочавања треће димензије). Извесна еквивалентна истраживања у оптоелектроници недовољна су за бољи квалитет, а једно од задњих, које се прилично неуспешно завршило, је најава робота америчке мање познате фирме Бриџстон који би имао чуло вида и чуло додира.
Међутим, доста добра очекивања да се оствари идеја о рачунарском виду пружио је рад издвајања протеина из водене бактерије Halobacterium Halobium. Јапански научници су из ове бактерије издвојили протеин bacteriorodopsin, који је веома сличан протеину у људском оку, rodopsinu. Протеини, беланчевине, су витална сложена органска једињења, најважнија у живом организму.
Родопсин је протеин који делује у мрежњачи ока на дејство светлости, са задатком да се уоче покретни објекти према непокретној позадини у видном пољу. Принцип остваривања овакве радње је промена јачине светлости при покрету објекта, која делује на родопсин чиме је он изаазван да произведе импулс који бележи мозак. Ова упрошћена радња је слична фото-ефекту који се користи приликом соларне производње струје.
Грађа молекула бактериородопсина поседује протеински и непротеински део. Непротеински део бактериородопсина, назван ретинал, под утицајем светлости мења облик. При тој промени облика неки атоми молекула ретинала стварају разлику потенцијала и та појава напона се искоришћава за стварање електричне струје.
Био-фотоћелија или био-електрода, која користи већ описани принцип, добија се грађењем вишеслојне структуре. То се остварује везивањем више молекула бактериородопсина, а дебљина те структуре је сто ангстрема (1 As = 10-10 m). Код многих вишеслојних структура ствара се проблем да се потенцијална разлика у различитим молекулима јавља у супротном смеру, при чему се не добија пренос разлике потенцијала кроз структуру. Овде се искључује проблем простирања разлике потенцијала, јер су атоми једнородне природе, па се разлика потенцијала преноси у једном смеру. Да би се овај систем молекула повезао у класично електронско коло, крајеви те структуре се прекривају алуминијумом и калај-оксидом, чиме се добија комплетна биоелектрода.
На слици 1. приказан је принцип рада био-електроде: када на електроду пада променљива светлост, она производи електрични импулс који се преноси кроѕ електрично коло, које амперметар (инструмент за мерење струје) региструје. Ако се на електроду делује сталном јачином светлости, онда се у колу не региструје импулс. Занимљиво је истаћи да је ово својеврстан активни елемент, посматрајући са стране класичне електронике, који је ипак контролисан (променљивом јачином светлости).
В. Британија
Познато је да реч електрична отпорност представља појам отпора материјала на простирање електрона, самим тим и струје. Наравно, проблем који се јавља код овог појма, кључан за многе примене и технике, је проблем остваривања што мање отпорности у проводнику. Јапански оптоелектричари из фирме Хитачи су 1990. године представили оптички кабл дужине 40 km кроз који је могуће путовање 40 гигабита у секунди. Достигнућа класичне електронике на овом пољу доста су позната, поменимо само појам суперпроводности.
Британски научници дошли су на идеју да произведу полупроводник органске структуре. Да би то остварили, употребили су бактерију издвојену из културе квасца. У својој грађи бактерија поседује молекуле који лако реагују са електронима. Поред тога, молекули се могу лако контролисати мењањем њихове величине, облика и наелектрисања, чиме се директно утиче на њихове проводне карактеристике. Ова особина је изузетно битна због тога што се из овог био-материјала може реализовати еквивалент отпорном елементу (отпорнику) у класичној електроници.
Кристална структура овог биоматеријала обогаћује се кадмијум-сулфатом који у додиру са бактеријом гради кадмијум-сулфид. Нови молекули су слични по димензијама и величине су 18 ангстрема (10-10 m). Димензија ових молекула и њихова сличност позитивно утиче на електричну проводност оваквог проводника и њену контролу. Показано је да је степен проводности врло повољан за пренос светлосних таласа, тако да је намена ових проводника коришћење у оптичким рачунарима.
Теоријски и стимулациони степени развитка у молекуларној електроници су далеко испред постојеће технологије која се данас користи за изградњу органских елемената. Наиме, технике потребне за синтезу молекуларно-електронских елемената, такозвано синтетисање, представља критичну ствар у коришћењу британског проналаска. Сам проводник у оквиру оптичког компјутера најчешће мора бити мали, али је то врло тешко постићи данашњом технологијом. Проблем у основи има димензионалност молекуларне шеме – она је тродимензионална, док су оне базиране на силицијуму искључиво дводимензионалне.
Основе принципа који пружа излаз из ове ситуације пружа Marrifield техника, осмишљена још 1970. године. Она је створена за синтезу пептида, простих протеина, али је касније проширена и за друге, сложеније протеине. Марифилд техника је реализована од стране америчких научника у пракси, коришћењем класичне електронике и роботике.
Америка
Људски мозак као најсавршенији “компјутер” у природи, и сам несхватљив и недовољно проучен, представља циљ научне потраге молекуларне електронике. Постојање вештачког ума, вештачке интелигенције приближне човековој и у неким доменима развијенијој, тема је коју амерички научници развијају у пракси са оне стране Атлантика. За сада она је ограничена на тежњу за биорачунаром који би заменио садашње силицијумске. Теоретичари сматрају да бисмо могли бити сведоци биорачунара крајем овог века, са у потпуности другачијом архитектуром и организацијом од Фон Нојманове и са много већим могућностима.
Најновија истраживања у Америци крећу се у правцу примене ензима. Ензими, другачије ферменти или биокатализатори, су супстанце протеинског порекла, колоидне природе, претежно просте или сложене беланчевине по хемијској структури, које настају у ћелијама и поспешују виталне биохемијске процесе у организму. Уређај који се развија састоји се од “каде” са одељцима, јединицама које су по функцији истоветне неуронима у људском мозгу. Свака јединица садржи хемијски раствор пет ензима и међусобно је повезана са другим јединицама. Када се повећа концентрација ензима у једној јединици изнад одређене границе, “неурон” је активан, односно укључен. При смањењу концентрације, обрнуто, јединица је неактивна.
Овај прост био-хемијски процес је веома сличан процесима у људском мозгу. Симулација рада људског мозга доста је развијена у производима неурорачунарства, али су за разлику од овог процеса оне базиране на силицијуму. Може се дакле рећи да је амерички уређај у основи биолошки еквивалент једном неурорачунару.
Јуче, данас, сутра
Иако многи теоретичари предвиђају крај физичких могућности електронике, хтели то они или не, кораци направљени у опто и молекуларној електроници, а нарочито у њиховом сједињавању, показују могуће путеве даљег развоја. Достизање визија и предвиђања многих “пророка” и њихово престизање је нуспојава вртоглавог 50-годишњег развоја рачунарства у свету.
Близина или даљина вештачког човека који би могао превазићи људску интелигенцију и њена достигнућа, назире се у радовима јапанских, америчких, британских и других научника. Поље знања и могућност меморисања оваквог човека далеко би превазишло обим данашњих догми и веровања. Развитак лежи у овим истраживањима, али је достизање крајње границе још иза хоризонта.
Приредио Душан Стојичевић
(текст објављен у Свету компјутера, фебруарски број 1993. године, стране 16 и 17)