بعد از مدتها، یک تاپیک قشنگ برای نوشتن پیدا کردم، شاید مدتها هم در همین مورد در وبلاگم بنویسم. موضوعی که در جهان، در کنار موضوعات دیگر مطرح هست، موضوعی هست به اسم زیست شناسی مصنوعی که به نوعی میشه گفت پیوند علوم مختلف با زیست شناسی، و تغییر در ساختار بیولوژیک موجوداتی هست که در اطراف ما زندگی میکنن. لینکی را در توییتر دیدم (و البته خاطرم نیست که کجا دیدمش، وگرنه لینک میکردم بهش) که نوشته بود دانشمندان با استفاده از DNA تونستند مدار منطقی بسازند. همونجا خشکم زد و گفتم چطوری میشه؟! تا این که این ویدئو رو دیدم. حقیقت اینه که تا قبل از این، دیده بودم که از نورون (سلول های عصبی) برای انتقال اطلاعات و پیاده سازی منطق های مختلف استفاده بشه، ولی استفاده از DNA برای من به شدت جدید و جذاب بود. و فکر نمیکردم که بشه از DNA ها، ساختار ترانزیستوری گرفت.

در حقیقت، چیزی که اینجا برای ما صفر و یک میسازه، الکتریسیته نیست. بلکه پروتئین ها هستند. در واقع شما دو نوع پروتئین دارید، که یکی نماینده صفر منطقی و دیگری نماینده یک منطقی به حساب میاد. حالا یکم دقیق تر پیش بریم، اگر ویدئو رو ببینید، خواهید دید که ساختار DNA یک نوع باکتری به اسم E.coli (با تلفظ ایکولای) مثل یک گیت NOR هست. یعنی همه منطق های موجود رو میشه با استفاده از این DNA طراحی کرد! نکته جالب تر و شگفت آورتر قضیه هم اینجاست که دانشگاه MIT پلتفرمی به اسم سلوکد منتشر کرده که شما با مراجعه بهش، میتونید کد Verilog بنویسید و تحلیل DNA ایش رو ببینید! و از همه جالبتر اینه که MIT کدهای نوشته شده شما رو، روی سلول های زنده تست میکنه!

تست سلوکد

خب برای این که این پلتفرم دوست داشتنی رو تست کنم، نشستم و یک معکوس کننده یا گیت NOT رو با Verilog HDL نوشتم :

کد

module NOT(output out, input in);
 always@(in)
   begin
   case({in})
   1'b0: {out} = 1'b1;
   1'b1: {out} = 1'b0;
   endcase
  end
endmodule

بعد از این که روی دکمه Run کلیک کردم (البته یادتون باشه که قبلش تعدادی DNA Sequence رو به عنوان ورودی و خروجی انتخاب کنید تا تحلیل های درست و بهتری تحویل بگیرید) ، شروع کرد به تحلیل کردن. حالا نتایج رو با هم می بینیم!

شکل گیت NOT به صورت قسمتی از DNA :

خب، این شکلی هست که در «زیست شناسی مصنوعی» برای بخش های کوچک DNA و نمایندگی اون ها استفاده میشه. ورودی و خروجی های این طراحی ها Promoter هستند که اتصالات بین پروتئین ها رو میتونن به وجود بیارن. پس میشه در یک سلول زنده منطق های مختلف داشت، و ساخت. حالا، جدول درستی این ساختار رو با هم می بینیم :

همونطور که می بینید، با صفر و یک طرف نیستیم، بلکه دو نوع ماده شیمیایی هستند که نقش صفر و یک رو بازی میکنند. البته یک ساختار گیت هم برای این واحد ها در نظر گرفته شده که به این شکل هستند :

که می بینید با ساختار گیت هایی که میشناختیم فرق داره. اگرچه، قبل از این که بخوایم اصلا HDL نویسی کنیم، نیاز داریم که اون طراحی منطقی رو انجام بدیم و منطق مدارهای خودمون رو تست کنیم. ولی این ابزار هم خودش برامون گیت ها رو میسازه.

و آخرین چیزی که توجهم رو به خودش جلب کرد، نمودار زیستی ای بود که در خروجی قرار داشت و عملکرد گیت رو به صورت کاملا زیستی تحلیل میکرد :

و البته یک ساختار گیتی دیگر هم داره، که «جنس» ورودی خروجی ها، همون پروتئین هایی که نماینده صفر و یک منطقی هستند رو برای ما مشخص میکنه :

خب، تا اینجا میشه فهمید که بشر قصد داره کم کم ترانزیستور رو کنار بذاره و خب در آینده، کامپیوتر الکترونیکی، جای خودش رو به کامپیوترهای بیولوژیکی میده! و این به این معنیه که احتمالا نسل های بعد از ما، زمانی که بخوان سخت افزار رو مطالعه کنن، احتمالا درس «سلول های دیجیتال» خواهند داشت به جای «الکترونیک دیجیتال»! سعی میکنم در این مورد بیشتر مطالعه کنم و یاد بگیرم، و در آینده در موردش بیشتر بنویسم.

موفق باشید 🙂

وقتی که داشتم در مورد آی‌سی 555 و کاربردهاش تحقیق میکردم یک مثال ساده به چشمم خورد : چشمک زن با LED . خیلی از چشمک زن هایی که در اینترنت بودند رو تست کردم و ساختم و دیدم که کار بکن نیستن که نیستن! تا این که دیدم Ben Eater (کسی که یک کامپیوتر برد بوردی هشت بیتی ساخته) ، یک مدار Clock ساخته. یکی از کاربردهای Clock این هست که مدارهای ما رو در لحظات خاص فعال و در لحظات خاص غیرفعال میکنه. همچنین، مدارهایی داریم که میتونن چند تا کلاک رو هندل کنن و یا نیاز دارن دو تا کلاک داشته باشن که برعکس هم کار میکنن. کلاکی که بن ایتر طراحی کرده به قدر کافی خوب و مناسب هست، اما من یک فیچر (اگر بتونیم بهش بگیم فیچر 🤔) بهش اضافه کردم و محصول نهایی شد این :

همانطوری که در شکل می بینید، خروجی کلاک درجای خودش به یک LED زرد متصل شده. و یک مدار ترانزیستوری هم بهش اضافه شده که حالا میخوایم بررسی کنیم اون چیه؟ اگر با NPN ها آشنا باشید میدونید که وقتی جریان در Base برقراره، امکان حرکت الکترونها از Collector به سمت Emitter هم فراهم میشه. یعنی در این مدار زمانی که خروجی ای که به اسم CLK مشخص شده، روشنه، جریان به راحتی از Collector میره به Emitter و اون LED قرمز که با CLK~ مشخص شده، خاموش میشه. زمانی که جریانی در Base ترانزیستور ما نیست، نتیجتا جلوی حرکت جریان از Collector به Emitter گرفته میشه و جریان به CLK~ میره. این به این معناست که زمانی که نیاز داریم کلاکمون برعکس بزنه، میتونیم از اون خروجی مدار استفاده کنیم! حالا یک سوال هست، و اون هم اینه که …

555 چطور کار میکنه؟

اگر دیتا شیت این آی سی رو بخونید، می بینید که پایه های VCC و GND اون با سه تا مقاومت پنج کیلو اهمی به هم وصل شدن، به همین خاطره که به این آی‌سی 555 گفته میشه. داخل آی‌سی، دوتا مقایسه گر و یک فلیپ فلاپ هست. در واقع زمانی که ما داریم از این آی‌سی کار میکشیم، مقادیر اون فلیپ فلاپی که درون آی‌سی تعبیه شده رو دستکاری میکنیم. برای اطلاعات بیشتر در مورد فلیپ فلاپ توصیه میکنم که دیتاشیت این تراشه رو مطالعه کنید.

در نهایت هم یک فیلم کوتاه از مداری که من ساختم ببینیم :

حجم تصویر متحرک یکم بالاس به بزرگی خودتون ببخشید 😅 یک نکته هم توجه کنید زمانی که مدار رو بستم رنگ LED ها برعکس تصویر شماتیک بود، در شماتیک LED زرد به خروجی کلاک و LED قرمز به خروجی نقیض کلاک وصل شده.