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Pac-Man-Labyrinth als Steuerhilfe

Die Realisierung einer magnetischen Uhr erforderte viel Kreativität. Die Anforderung war, ein System zu schaffen, das beliebig skalierbar und einfach zu handhaben ist. Schlussendlich entschieden sich die Forscher für eine Anordnung aus kleinen Metallstäben in einer Schicht aus Glasplatten, in der ein Film aus Öl eingelassen wird. Das 2D-Labyrinth erinnert optisch an das Level-Design von Pac Man. Sobald das Drehfeld aktiv ist, wird mit jedem Frequenzwechsel die magnetische Polarität der Metallstäbchen umgekehrt, und die Tropfen bewegen sich in einem vorgegebenen Pfad. Jeder Wechsel des Magnetfelds zählt als eine Taktperiode und bewegt gleichsam jeden Tropfen immer einen Schritt weiter. Eine Kamera dient als Detektor und wertet die Präsenz oder Abwesenheit jedes Tropfens als logische 0 oder 1.

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Die Synchronisierung der Uhr ermöglicht eine perfekte Synchronizität der Informationsteilchen und eine unendlich lange Laufzeit, ohne dass ein einziger Fehler passiert. Durch die beliebige Anordnung der Metallstäbchen lässt sich jedes erdenkliche Logik-Gatter auf Basis der booleschen Algebra realisieren. Prakash und sein Team beschreiben in einem Arbeitspapier alle möglichen Varianten: AND, OR, XOR, NOT und NAND. Somit lassen sich auch Bit-stabile Kippstufen (Flipflop) realisieren, um einfache Speicherzustände zu halten.

Ein neuer Ansatz, Materie zu beeinflussen

Derzeitige Chips sind etwa halb so groß wie eine Briefmarke und die Tropfen kleiner als ein Mohnkorn. Zukünftig soll das System weiter miniaturisiert werden, um die Rechenleistung weiter zu erhöhen. Außer durch Robustheit gefällt es durch die außergewöhnlich hohe Skalierbarkeit, da man Millionen von Tropfen gleichzeitig magnetisieren kann. Viel Potential versprechen sich die Forscher für die Verwendung in einem chemischen Labor, wo bestimmte Anwendungen eine hohe Durchsatzleistung verlangen. Anstatt chemische Reaktionen akribisch in einzelnen Reagenzgläsern zu erzwingen, sollen die magnetisierbaren Tropfen als Träger eingesetzt werden.

  • Das aktuelle System ist sehr klein. (Bild: Stanford University)
Das aktuelle System ist sehr klein. (Bild: Stanford University)

Schlussendlich wird jeder Tropfen zum eigenen Reagenzglas. Durch die tropfengenaue Ansteuerung erreicht man eine hohe Genauigkeit in der chemischen Synthese. Sollte nur das Tempo in der medizinischen Forschung damit beschleunigt werden, wäre dies bereits ein Meilenstein. Der von vielen erhofften Revolution in der personalisierten Medizin könnte man damit einen großen Schritt näher kommen.

Zum Beispiel ließe sich eine tropfengenaue Dosierung und Abmischung einer Medizin erstellen, die exakt auf den jeweiligen Organismus abgestimmt ist. Auch in der mobilen Analyse gibt es viel Bedarf. Aktuelle Lab-on-a-Chip-Lösungen ermöglichen bereits einfache und laborunabhängige Tests mit Blutproben. Für komplexere Aufgaben wie die Mischung von Chemikalien in bestimmten Reihenfolgen sind diese jedoch nicht geeignet.

Tropfen-Schaltkreise für alle

Für die Zukunft plant Prakash, ein Design-Tool zu veröffentlichen, um die Tropfen-Schaltkreise der Öffentlichkeit zugänglich zu machen. Theoretisch kann dann jeder seine Wunschschaltung aus Magnettropfen aufbauen. Der Stanford-Dozent möchte alle ermutigen, über dieses System neue Ansätze in der Informationsverarbeitung zu erproben: "Wir sind sehr daran interessiert, jedem die Möglichkeit zu geben, sich mit Hilfe unserer Arbeit einzubringen und neue Schaltkreise zu bauen. Ein komplexer Prozessor, der mit Materie arbeitet und ohne externe Ansteuerung auskommt, war bisher nur sehr schwer zu verwirklichen. Nun kann jeder solche Schaltkreise realisieren."

Prakash sieht viel Potenzial: "Computer haben einen besonderen Stellenwert, wenn man auf große Fortschritte in unserer Gesellschaft zurückblickt. Wir versuchen nun, diese exponentielle Entwicklung aus der digitalen Welt in die physikalische Welt zu übertragen."

 Wassertropfen statt Elektronen: Neuartiger Computer manipuliert Materie
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Sarkastius 19. Jun 2015

wäre eventuell über magnetische Felder realisierbar.

Sarkastius 17. Jun 2015

der schickt deinem Arzt eine Email das dein Zuckerspiegel zu hoch ist wenn du an ihm...

Cerdo 17. Jun 2015

Wir wir alle wissen reicht auch das NAND-Gatter, um alle möglichen Schaltungen zu...

SelfEsteem 17. Jun 2015

Jaja, sehe ich schon kommen. Dann wird der T-1000, der aussieht wie du, von dem T-1000...


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