Iš skystųjų kristalų "išsivystęs" elektroninis grandynas

   Sukurtas įdomus elektroninis grandynas, sudarytas vien iš skystųjų kristalų displėjaus ląstelių ir valdomas evoliucijos procesus pamėgdžiojančią programinę įrangą. Programa perorientuoja atskirų ląstelių skystuosius kristalus šitaip paversdama displėjų grandynu, sugebančiu skirti aukšto ir žemo dažnio signalus nenaudojant jokių tradicinių elektronikos komponentų, tokių kaip tranzistorių, kondensatorių ar varžų.

   Šį grandyną sukūrė Jorko universiteto (Jungtinė Karalystė) inžinieriai-elektronikai Simonas Hardingas ir Julianas Milleris. Idėja kilo bandant atlikti eksperimentą, kurio metu buvo siekiama nustatyti ar genetinis algoritmas (GA) - programa, pamėgdžiojanti natūralią atranką ieškant "gyvybingiausio" tam tikros problemos sprendimo - negalėtų būtų taikomas elektroninių grandynų kūrimui pasitelkiant tam tikrų medžiagų elektrines savybes.


Iš LCD pagamintas grandynas.
Kiekvienos LCD ląstelės varža ir talpa, jas derinant tarpusavyje, gali sudaryti grandyną, atliekantį dažnių diskriminatoriaus funkciją. Prie kiekvienos ląstelės prijungtos įtampos buvo, naudojant genetinį algoritmą, kaitaliojami tol, kol grandynas nepradėdavo veikti.

   Perspektyviausiai atrodė skystieji kristalai, nes jie ne tik praleidžia elektros srovę, bet, atitinkamai orientuoti, elgiasi it kondensatoriai. Tai reiškia, jog kintamoji srovė gali pratekėti tarp dviejų gretimų kristalų netgi ir tuomet kai jie nėra tiesiogiai sujungti.

   Be to skystųjų kristalų displėjus (LCD) galima perkonfigūruoti naudojant vien elektronikos priemones. Prie LCD ląstelės prijungus elektros įtampą atsiradęs elektrinis laukas pakeičia ląstelėje esančio skystojo kristalo orientaciją. Mokslininkai vylėsi keliais laipsniais pasukę atskirus kristalus sugebėsiantys tiek pakeisti jų elektrinius parametrus, jog to pakaksią praktinio grandyno sukūrimui.

   Savo eksperimente Milleris ir Hardingas naudojo asmeniniame kompiuteryje instaliuotą GA programą monochrominio 180x120 vaizdo elementų LCD dalies valdymui ir pabandė tokiu grandynu suskirstyti į jį patenkančius skirtingo dažnio signalus. Kai į grandyną vienas po kito būdavo paduodami du signalai, tuo atveju, kai pirmojo signalo dažnis buvo didesnis nei antrojo, jo išvestyje atsirasdavo 1, o kai didesnis buvo antrojo signalo dažnis, išvestyje buvo stebimas 0.

   Prie kiekvieno iš 64 LCD vaizdo elementų jie prijungė atsitiktinai pasirinktas įtampas. Kiekvienai tokių įtampų kombinacijai grandynas buvo bandomas prijungiant prie vieno iš vaizdo elementų du skirtingų dažnių signalus. Šitaip buvo išbandyta apie 40 kombinacijų. Toms kombinacijoms, kurios geriausiai susidorojo su dažnio atpažinimo užduotimi, buvo priskirti didžiausi įverčiai. Po to grandynai "mutavo" keičiant prie ląstelių prijungtas įtampas ir "blogiausios" įtampų kombinacijos buvo kaitaliojamos daugiausiai kartų. Po viso šio mutacijos proceso, kuris buvo kartojamas 100 kartų, atsirasdavo kombinacija, galinti veikti kaip patikimas dažnio diskriminatorius. Tiesa, inžinieriai neturėjo nei mažiausio supratimo, kaip ji veikia - ji tiesiog gerai veikė ir viskas.

   Nors kol kas toks skystųjų kristalų procesorius veikia tik laboratorijos sąlygomis, Milleris ir Hardingas tikisi sukurti patikimesnį jo variantą, galėsiantį veikti įvairiose temperatūrose ir maitinant jį ne taip stipriai stabilizuotomis įtampomis. Kai tas bus padaryta, planuojama iš skystųjų kristalų kurti kliūčių išvengimo sistemą robotams.

   Genetinis algoritmas inžinierių jau yra senokai naudojamas. Jis, pavyzdžiui, leidžia optimizuoti metalų mišinį ieškant tinkamiausio jų lydinio. Bet elektronikoje algoritmo taikymo galimybės yra ribotos, nes pagrindiniai elektronikos komponentai - tranzistoriai - gali būti tik įjungti arba išjungti. Kita vertus, skystieji kristalai siūlo kur kas didesnę keičiamų fizikinių savybių įvairovę.

   Hardingas ir Milleris savo, kad jų darbas rodo, jog yra įmanoma kurti naujoviškus perkonfigūruojamus grandynus be diskretiškų elementų, pasitelkus vienos medžiagos elektrines savybes. Čia galima panaudoti ne tik skystuosius kristalus, bet ir kai kuriuos koloidus, elektriškai aktyvius polimerus ar netgi bakterijas.


Mokslo įdomybės