Если вы находитесь в чужом городе и собираетесь пойти съесть пиццу в ближайшем заведении, то наверняка вы прибегнете к помощи своего смартфона с установленной на нем программой спутниковой навигации. Хотя группа ученых из Швейцарии, Венгрии, Японии и Шотландии, которую возглавляют исследователи из швейцарской Национальной лаборатории материаловедения и технологий Empa, считает, что в вышеупомянутом случае лучше всего прибегнуть к помощи разработанного ими химического компьютера, который справится с задачей прокладки оптимального маршрута лучше и быстрее программы спутниковой навигации.
В большинстве случаев все задачи из области навигации сводятся к нахождению кратчайшего или оптимального пути в лабиринте из точки А в точку Б. Программы GPS и другие навигационные программы решают эту задачу методом грубой силы, перебора различных вариантов и выбора из них лучшего. Такой подход занимает достаточно много времени и отнимает вычислительные ресурсы, ведь его основу составляют алгоритмы, написанные людьми-программистами, которые вряд ли могут написать идеальный код.
Подход группы исследователей лаборатории Empa заключается в использовании так называемых химических вычислений, что противоречит устоявшемуся мнению о том, что все компьютеры являются электронными или механическими, в худшем случае. Химические компьютеры могут использовать жидкую воду, различные химические соединения и при помощи простейших химических реакций они могут решать весьма и весьма сложные задачи.
Принцип действия химического компьютера Empa основан на эффекте Марангони-Гиббса. Этот эффект заключается в том, что жидкость, попавшая на поверхность с неравномерным распределением сил поверхностного натяжения, будет перемещаться из области с низким значением этого параметра в сторону области с более высоким показателем натяжения. Примером этого эффекта являются так называемые “винные слезы”, возникающие в результате расслоения вина и движения воды вверх вопреки силам гравитации.
Химический компьютер представляет собой лабиринт, поверхность которого покрыта кислотосодержащим гелем. При этом, концентрация кислотной составляющей увеличивается в сторону к месту, которое необходимо достигнуть. В “текущем местоположении” на поверхность лабиринта ставится капля щелочного раствора, смешанного с красителем, которая тут же начинает двигаться в сторону увеличения концентрации кислоты, оставляя за собой след краски. При этом, капля всегда движется по кратчайшей траектории, следуя по пути наименьшего сопротивления. Конечно, некоторые части капли могут следовать и по ложному пути, но эти части малы, скорость их движения незначительна и они оставляют за собой очень слабый след.
Вышеописанный принцип при условии правильно подобранных концентраций кислоты и щелочи работает достаточно быстро. При экспериментах, когда в качестве лабиринта была взята часть карты Будапешта, такой химический компьютер справился с прокладкой маршрута быстрее, чем это смогла сделать программа спутниковой навигации. “Преимуществом химического компьютера от его электронного коллеги является то, что он исследует все возможные пути параллельно” – рассказывает Рита Тот (Rita Toth), ученая из лаборатории Empa, – “Нормальный электронный компьютер перебирает все варианты последовательно, для чего требуется достаточно много времени”.
Исследователи из лаборатории Empa видят применение подобных химических компьютеров в области проектирования транспортных систем, логистики, при создании компьютерных сетей, в математических исследованиях, связанных с теорией графов, робототехнике и других областях, где требуется простым и быстрым способом решать сложные задачи оптимизации, которые не всегда оказываются по зубам даже весьма мощным электронным компьютерам. А в ближайшее время исследователи собираются доработать технологию химических вычислений для того, чтобы она могла использоваться с лабиринтами высокого уровня сложности, что позволит при ее помощи производить решение гораздо более сложных задач.