Jak otrzymać inteligentną tkaninę, która nie będzie w ogóle chłonąć wody albo ochroni nas przed promieniowaniem, materiał przezroczysty, a jednocześnie wykazujący przewodnictwo elektryczne? Wymaga to specjalnie zaprojektowanych makrocząsteczek, najczęściej polimerów.

Modelowanie reakcji polimeryzacji ułatwi właśnie Analizator Rzeczywistych Układów Złożonych - ARUZ. Urządzenie będzie gotowe do końca lipca 2015 r. i na początku będzie używane przy rozwiązywaniu problemów z zakresu chemii.

"W rzeczywistym układzie złożonym znajdują się cząsteczki o różnym kształcie i wielkości, na przykład molekuły polimerów, cieczy małocząsteczkowych, itd. Taki układ ma skomplikowaną budowę, tymczasem modelowanie wymaga uproszczeń. Do prowadzenia analiz przy zachowaniu wysokiego stopnia komplikacji potrzebne są specjalne urządzenia” – tłumaczy dr inż. Krzysztof Hałagan z Politechniki Łódzkiej.

Jak wyjaśnia, polimery to bardzo długie łańcuchy, z których składają się np. plastiki wykorzystywane właściwie w każdej dziedzinie naszego życia. Podstawą badań polimerów są przede wszystkim metody eksperymentalne. Najpierw chemicy prowadzą syntezy w bardzo różnych warunkach, dobierając warunki reakcji tak, żeby produkt końcowy spełniał zadane wymagania. Potem sprawdzają, czy tak otrzymany polimer ma odpowiednie właściwości, które sprawią, że będzie można go użyć w praktyce. Przykładem może być przezroczysty polimer, który przewodzi prąd. Takie rozwiązanie może być zastosowane na przykład w wyświetlaczach, które w przyszłości nakleimy na szybę i wyświetlimy na nich jakiś obraz.

Każdy etap takich badań jest skomplikowany, drogi i wymaga czasu. Często prace prowadzone są metodą „na chybił trafił”, czyli w zależności od tego, co badaczom wyszło - to ulepszają. Analizator ARUZ da uczonym bogate informacje, zanim rozpoczną badania laboratoryjne.

Jak podkreśla dr Hałagan, choć ARUZ dokonuje bardzo zaawansowanych obliczeń i symulacji, nie jest superkomputerem. Jest to zbiór połączonych ze sobą procesorów typu FPGA (Field Programmable Gate Array). Tego typu procesory różnią się tym od zwykłych, że można je w pełni rekonfigurować.

„Superkomputer ma stałą konstrukcję. Podczas badań wpisujemy do niego odpowiedni program i staramy się symulować zachowanie badanego układu. Za to ARUZ może być >>przebudowywany<< na nowo za każdym razem, kiedy chcemy z jego pomocą rozwiązać jakiś problem. Inaczej mówiąc, potrafimy dostosować sprzęt do specyfiki zagadnień, którymi ma się on zajmować” – wyjaśnia dr Hałagan.

ARUZ najszybciej znajdzie zastosowania w branży chemicznej, stopniowo jednak będzie też rozwiązywał problemy badawcze z różnych dziedzin. W zależności od tego, z jakim wyzwaniem przyjdzie się zmierzyć naukowcom, osoby obsługujące urządzenie będą mogły zmienić logiczną strukturę wewnątrz każdego układu FPGA, których 27 tysięcy połączonych jest w gęstą trójwymiarową sieć. Maszyna działa tak, że operacje logiczne wykonywane są we wszystkich układach FPGA równocześnie. Taki rodzaj pracy jest niezwykle efektywny, a urządzenie nazywane jest maszyną równoległą, co więcej wymiana sygnałów pomiędzy układami również następuje równocześnie w całej maszynie - tysiące razy na sekundę.

Żeby przekonfigurować ARUZa będzie potrzebny kilkuosobowy zespół – m.in. programiści i personel naukowy, który wraz ze zleceniodawcą badań przełoży problem na język maszyny. Potrzebne będą też osoby do analizy wyników otrzymanych po zakończeniu symulacji.

W 1997 prof. Tadeusz Pakuła, pracownik związany z Katedrą Fizyki Molekularnej PŁ, opracował algorytm DLL model dynamicznej cieczy sieciowej. Uczeni z PŁ postanowili odwzorować ten algorytm w formie cyfrowego urządzenia. Ale nie miał być to program ładowany do zwykłego komputera. Inżynierowie stworzyli projekt maszyny i dwa prototypy, sfinansowane z grantów z resortu nauki. Wszystkie te wstępne prace potwierdziły, że ta koncepcja realizacji algorytmu w postaci maszyny, ogromnie przyspiesza obliczenia i jest możliwa. Ale PŁ nie miała wystarczających środków finansowych, żeby zbudować urządzenie komercyjne. Taka możliwość pojawiła się dopiero, gdy Technopark Łódzki otrzymał dodatkowe środki na rozszerzenie swojej działalności. Jako wykonawcę projektu ARUZ w wyniku postępowania przetargowego została wybrana firma Ericpol.

Obecnie na PŁ pracuje przy analizatorze kilkanaście osób współpracujących w firmą Ericpol. Ten zespół będzie się sukcesywnie zwiększał. W prace zaangażowane są dwie katedry: Katedry Fizyki Molekularnej, gdzie badacze zajmują się chemią i fizyką oraz Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych, gdzie prowadzi się badania sprzętu i oprogramowuje go. Bo samo stworzenie układów to za mało, uczeni wciąż rozwijają pomysły na ciekawe i przydatne zastosowania.

PAP – Nauka w Polsce, Karolina Olszewska

kol/ agt/