BioWall

Bioväggen

BioWall är en bioinspirerad datoryta gjord av flera tusen elektroniska moduler som kan ses som artificiella molekyler . Var och en av dessa moduler innehåller en programmerbar elektronisk krets, en touchsensor och en display som består av 64 lysdioder (lysdioder). Som ett resultat gör varje modul det möjligt för besökaren att kommunicera med ytan genom att röra vid den med fingret, beräkna dess nya status och indikera den omedelbart på en färgad display.

Översikt

BioWall utvecklades i Logic Systems Laboratory ( LSL ) vid Ecole polytechnique fédérale de Lausanne ( EPFL ), Schweiz . Dess konstruktion har sponsrats av Jacqueline Reuge, ägare av Villa Reuge-museet i Sainte-Croix ( VD ) . Två versioner av BioWall har realiserats, där flera tusen FPGA ( Spartan XCS10XL of Xilinx ) utgör kärnan i lika många moduler som lokalt utbyter information med sina närmaste grannar. Interaktionen med FPGA utförs genom ett beröringskänsligt membran och varje FPGA kommunicerar sitt tillstånd till en 64-färgad LED- array.

Huvudmålet med detta akademiska projekt är studiet av hårdvaruimplementeringen av bioinspirerade koncept som självreparation, evolution, självreplikering, inlärning... efter de tre huvudaxlarna som definieras i den POEtiska modellen:

Fylogenetisk axel (P-axel), inspirerad av utvecklingen av biologiska arter
Ontogenetisk axel (O-axel), inspirerad av utvecklingen och tillväxten av flercelliga organismer
Epigenetisk axel (E-axel), inspirerad av individers anpassning till miljön

Bland dessa tre forskningsaxlar har LSL:s huvudinsats fokuserat på den ontogenetiska axeln genom Embryonics Project, som syftar till att hämta inspiration från utvecklingen av flercelliga levande organismer för att i digital hårdvara skaffa några av deras ursprungliga egenskaper , och särskilt tillväxt och feltolerans.

BioWatch

En konstgjord organism utrustad med alla funktioner hos en embryonal maskin implementerades i BioWall. BioWatch, som räknar timmar, minuter och sekunder, används för att demonstrera tillväxt- och självreparationsförmågan hos BioWall.

Efter de tre komplexitetsnivåerna definierade i Embryonics Project, har BioWatch utformats hierarkiskt: Hela klockan kan ses som en organism som består av sex celler, som var och en är dedikerad till beräkningen av en siffra: enheter och tiotals sekunder , minuter och timmar. Var och en av dessa celler sönderdelas själv i mindre identiska enheter, dvs modulerna i BioWall, som kan ses som grundmolekylerna i en verklig organism.

Självreparation är möjlig genom att inkludera reservmolekyler i BioWatch; när en FPGA, dvs en molekyl, blir defekt kan en av reservmolekylerna ta över dess funktionalitet och gör att BioWatch fortfarande visar rätt tid. När en hel cell, som räknar en specifik siffra, överväldigas av felaktiga molekyler, dör den, men reservutrymmet konfigureras automatiskt för att ta över den döda cellens funktionalitet och replikera den. Som ett resultat kan hela klockan sedan tolerera en stor mängd fel i sin hårdvara, och ändå kan den fortfarande visa rätt tid.

Andra applikationer

BioWall är sammansatt av en rad små, lokalt anslutna element och är som ett resultat också en idealisk plattform för att prototyper av många olika typer av tvådimensionella cellulära system och bioinspirerade system, såsom:

Conways Game of Life ( >>> )
Självreplikerande loopar ( >>> )
Turing artificiella neurala nätverk ( >>> )
Von Neumanns Universal Constructor ( >>> )
Wolframs cellulära automat ( >>> )
Skjutgrupp cellulär automat ( >>> )
DNA-sekvensjämförelse ( >>> )

Även om BioWalls storlek och struktur medför ett visst antal begränsningar (t.ex. systemets klockhastighet), ger dess fullständiga programmerbarhet en enastående mångsidighet och den visuella och interaktiva komponenten i systemet är ovärderliga verktyg både för spridning av idéer och för verifiering av forskningskoncept som ofta är begränsade till mjukvarusimuleringar.

En BioWall med 2000 molekyler finns nu i Intelligent Systems Group, Department of Electronics, University of York (UK). En annan BioWall med 2000 molekyler finns i en permanent utställning i Ecole polytechnique fédérale Lausanne (EPFL) och kan ses fungera live med följande webbkamera , från måndag till fredag mellan 8:00 och 19:00 GMT+1.

Bibliografi

G. Tempesti och C. Teuscher. "Biology Goes Digital: En samling av 5 700 spartanska FPGA:er ger BioWall" liv" . XCell Journal 47, hösten 2003, s. 40–45.
C. Teuscher, D. Mange, A. Stauffer och G. Tempesti. "Bio-inspirerade datorvävnader: mot maskiner som utvecklas, växer och lär sig" . BioSystems 68(2–3), 2003, s. 235–244.
G. Tempesti, D. Mange, A. Stauffer och C. Teuscher. "The BioWall: an Electronic Tissue for Prototyping Bio-Inspired Systems" . I A. Stoica, J. Lohn, R. Katz, D. Keymeulen och RS Zebulum, redaktörer. Proceedings of the 2002 NASA/DoD Conference on Evolvable Hardware (EH'2002), sidorna 221–230, IEEE Computer Society, Los Alamitos, CA.
A. Stauffer, D. Mange, G. Tempesti och C. Teuscher. "En självreparerande och självläkande elektronisk klocka: The BioWatch" . I Y. Liu, K. Tanaka, M. Iwata, T. Higuchi och M. Yasunaga, redaktörer. Utvecklingsbara system: från biologi till hårdvara. Proceedings of the 4th International Conference on Evolvable Systems (ICES'2001), 3–5 oktober 2001, Tokyo. Lecture Notes in Computer Science, Vol. 2210, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 2001, sid 112–127.
A. Stauffer, D. Mange, G. Tempesti och C. Teuscher. "BioWatch: A Giant Electronic Bio-Inspired Watch" . I D. Keymeulen, A. Stoica, J. Lohn och R. Zebulum, redaktörer. Proceedings of the Third NASA/DoD Workshop on Evolvable Hardware (EH-2001), sidorna 185–192, IEEE Computer Society, Los Alamitos, CA.
M. Canella, F. Miglioli, A. Bogliolo, E. Petraglio, E. Sanchez. "Utföra DNA-jämförelse på en bioinspirerad vävnad av FPGA". I Proc. 10th Reconfigurable Architectures Workshop (RAW03), Nice, Frankrike, april 2003, sid. 7

externa länkar