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Jan 13, 2024

Computador pneumático usa pressão em vez de eletricidade

Um chip de computador feito de vidro e silicone contém líquidos que se movem de um lado

Um chip de computador feito de vidro e silicone contém líquidos que se movem de um lado do chip para o outro em reação às mudanças de pressão. Isso tem sido usado para controlar e automatizar experimentos bioquímicos miniaturizados

Por Karmela Padavic-Callaghan

2 de junho de 2023

Um chip de computador feito de vidro e silicone, com canais que retêm líquidos

Laboratório Hui na UC Irvine

Um computador pneumático feito de vidro e silicone usa pressão em vez de eletricidade para codificar dados. Ele pode permitir que um dispositivo do tamanho de um chip execute procedimentos que geralmente são feitos por técnicos em laboratórios.

Os dispositivos lab-on-a-chip têm sido perseguidos por décadas como alternativas menores, mais baratas e portáteis para fazer manualmente a bioquímica de rotina com vidro desajeitado. Embora alguns experimentos bioquímicos tenham sido miniaturizados – incluindo culturas de células e órgãos minúsculos – a maioria desses dispositivos requer muito mais equipamentos do que apenas um chip.

"Você poderia segurar o chip em sua mão e tudo estaria acontecendo naquele chip, mas se você diminuísse o zoom, veria uma caixa do tamanho de uma geladeira que o está controlando. Isso não é realmente um laboratório em um chip". diz Elliot Hui, da Universidade da Califórnia, em Irvine. Ele e seus colegas decidiram substituir aquela enorme caixa por um minúsculo computador que não precisa de eletricidade e cabe dentro de cada lab-on-a-chip.

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Eles colocaram uma folha de silicone de 0,25 milímetros de espessura entre duas finas placas de vidro. Eles gravaram pequenos canais no vidro para que os líquidos necessários para as reações químicas pudessem fluir através deles e, em seguida, perfuraram pequenos orifícios na camada de silicone para conectar os canais entre os dois painéis.

Diferenças na pressão empurram os líquidos pelos canais, o que imita a maneira como as mudanças de tensão fazem a eletricidade fluir pelos fios nos chips de computador eletrônico. Eles designaram pressão de vácuo baixa como "1" e pressão atmosférica como "0" e adicionaram válvulas minúsculas que podem trocar os dois valores. Isso transformou o chip em um computador pneumático.

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Para codificar os programas, eles usaram diferentes folhas de silicone como "cartões perfurados" e, para inserir dados, encontraram um método simples para alterar a pressão - eles colocaram os dedos sobre pontos designados.

O chip mais complexo feito pela equipe continha quatro bits de informação e realizava um procedimento chamado diluição serial, que determina a concentração de uma substância química dissolvida em um líquido. Normalmente, um pesquisador pipetava repetidamente o líquido de um cilindro de vidro para outro, mas o chip fazia isso de forma autônoma e em miniatura, seguindo etapas pré-programadas. Hui diz que, com a adição de um chip de computador pneumático, os chamados dispositivos microfluídicos que já usamos, como testes caseiros de covid-19, podem determinar não apenas se um vírus está presente, mas também em que concentração.

William Grover, da Universidade da Califórnia, em Riverside, diz que automatizar chips sem nenhum componente eletrônico fora do chip é incrivelmente útil. "Essa abordagem pode eliminar 99% do custo de alguns instrumentos microfluídicos e torná-los menores e mais fáceis de construir", diz ele.

Se computacionalmente avançada o suficiente, essa tecnologia pode ser útil como um produto pronto para uso em biomedicina para experimentos com muitos insumos, como o cultivo de tecidos em chips, diz Albert Folch, da Universidade de Washington, em Seattle. Ele diz que as válvulas no computador pneumático ainda não podem fazer tudo o que os transistores fazem nos chips eletrônicos, mas o poder computacional do computador pneumático provavelmente aumentará no futuro.

Computadores pneumáticos podem controlar laboratórios bioquímicos miniaturizados, mas também podem se tornar "cérebros" para robôs leves, diz Siavash Ahrar, da California State University, Long Beach, que trabalhou no projeto. O ar e a pressão já são usados ​​para fazer alguns robôs se moverem e agora também podem ser usados ​​para ajudar os robôs a tomar decisões por meio de cálculos simples, diz ele.