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Jun 23, 2023

L'ordinateur pneumatique utilise la pression au lieu de l'électricité

Une puce informatique en verre et en silicone contient des liquides qui se déplacent d'un côté

Une puce informatique en verre et en silicone contient des liquides qui se déplacent d'un côté à l'autre de la puce en réaction aux changements de pression. Cela a été utilisé pour contrôler et automatiser des expériences de biochimie miniaturisées

Par Karmela Padavic-Callaghan

2 juin 2023

Une puce informatique en verre et en silicone, avec des canaux qui retiennent les liquides

Hui Lab à UC Irvine

Un ordinateur pneumatique fait de verre et de silicone utilise la pression au lieu de l'électricité pour coder les données. Il peut permettre à un appareil de la taille d'une puce d'effectuer des procédures qui sont généralement effectuées par des techniciens en laboratoire.

Les dispositifs de laboratoire sur puce sont recherchés depuis des décennies en tant qu'alternatives plus petites, moins chères et portables pour effectuer manuellement la biochimie de routine avec de la verrerie maladroite. Alors que certaines expériences biochimiques ont été miniaturisées - y compris la croissance de cultures cellulaires et de petits organes - la plupart de ces appareils nécessitent beaucoup plus d'équipement qu'une simple puce.

"Vous pourriez tenir la puce dans votre main, et tout se passerait sur cette puce, mais si vous dézoomiez, vous verriez une boîte de la taille d'un réfrigérateur qui la contrôle. Ce n'est pas vraiment un laboratoire sur puce", dit Elliot Hui de l'Université de Californie à Irvine. Lui et ses collègues ont décidé de remplacer cette énorme boîte par un petit ordinateur qui n'a pas besoin d'électricité et qui tient dans chaque laboratoire sur puce.

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En savoir plus:

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Ils ont pris en sandwich une feuille de silicone de 0,25 millimètre d'épaisseur entre deux fines vitres. Ils ont gravé de minuscules canaux dans le verre afin que les liquides nécessaires aux réactions chimiques puissent les traverser, puis ont percé de petits trous dans la couche de silicone pour connecter les canaux entre les deux vitres.

Les différences de pression ont poussé les liquides à travers les canaux, ce qui imite la façon dont les changements de tension font circuler l'électricité à travers les fils dans les puces informatiques électroniques. Ils ont désigné la basse pression de vide comme "1" et la pression atmosphérique comme "0", et ont ajouté de minuscules vannes qui peuvent échanger les deux valeurs. Cela a transformé la puce en un ordinateur pneumatique.

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Pour coder les programmes, ils ont utilisé différentes feuilles de silicone comme "cartes perforées" et pour saisir les données, ils ont trouvé une méthode simple pour modifier la pression - ils ont placé leurs doigts sur des points désignés.

La puce la plus complexe fabriquée par l'équipe contenait quatre bits d'information et effectuait une procédure appelée dilution en série, qui détermine la concentration d'un produit chimique dissous dans un liquide. Habituellement, un chercheur pipette à plusieurs reprises le liquide d'un cylindre de verre à un autre, mais la puce le fait de manière autonome et en miniature, en suivant des étapes préprogrammées. Hui dit qu'avec l'ajout d'une puce informatique pneumatique, les soi-disant dispositifs microfluidiques que nous utilisons déjà, comme les tests covid-19 à domicile, pourraient déterminer non seulement si un virus est présent, mais aussi à quelle concentration.

William Grover de l'Université de Californie, Riverside, affirme que l'automatisation des puces sans aucune électronique hors puce est incroyablement utile. « Cette approche peut éliminer 99 % du coût de certains instruments microfluidiques et les rendre plus petits et plus faciles à construire », dit-il.

Si elle est suffisamment avancée en termes de calcul, cette technologie pourrait être utile en tant que produit prêt à l'emploi en biomédecine pour des expériences avec de nombreux intrants comme la croissance de tissus sur des puces, explique Albert Folch de l'Université de Washington à Seattle. Il dit que les vannes de l'ordinateur pneumatique ne peuvent pas encore faire tout ce que les transistors font dans les puces électroniques, mais la puissance de calcul de l'ordinateur pneumatique est susceptible d'augmenter à l'avenir.

Les ordinateurs pneumatiques pourraient contrôler des laboratoires biochimiques miniaturisés, mais ils pourraient aussi devenir des "cerveaux" pour des robots mous, explique Siavash Ahrar de la California State University, Long Beach, qui a travaillé sur le projet. L'air et la pression sont déjà utilisés pour faire bouger certains robots, et maintenant ils pourraient également être utilisés pour aider les robots à prendre des décisions grâce à des calculs simples, dit-il.

Référence de la revue :

Science Advances DOI: 10.1126/sciadv.adg0201

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