طراحی تمام‌جمع‌کنندۀ مبتنی بر محاسبات دِنا و نگاشت آن بر تراشۀ ریزسیال دیجیتال با رویکردی بهینه در زمان و منابع

• مقدمه[1]

با توجه به نیاز روزافزون به انجام پردازش‌ها در سطح مولکولی، توسعۀ تراشه‌هایی که توانایی انجام عملیات در این مقیاس را داشته باشند، اهمیت فراوانی یافته است. در همین راستا، ترکیب فناوری‌های زیستی با سیستم‌های محاسباتی به شکل‌گیری شاخه‌ای نوین از محاسبات موسوم به محاسبات مبتنی بر دِنا[1] منجر شده است که امکان انجام عملیات منطقی را با بهره‌گیری از واکنش‌های زیست‌مولکولی فراهم می‌آورد. یکی از چالش‌های اصلی در این حوزه، طراحی مدارهای منطقی مؤثر و قابل نگاشت بر بسترهای زیستی با دقت زیاد و پیچیدگی کم است. در این پژوهش، با هدف غلبه بر این چالش، یک تمام‌جمع‌کنندۀ مبتنی بر دِنا طراحی شده که به ‌طور خاص برای اجرا روی تراشه‌های ریزسیال دیجیتال بهینه‌سازی شده است. چاکرابورتی و همکاران نخستین بار تراشه‌ای با عنوان ریزسیال[2] معرفی کردند که امکان انجام آزمایش‌های متنوع بر روی تراشه‌های کوچک را از طریق کنترل حرکت قطرات آب فراهم می‌کرد. این فناوری آغازگر مسیر توسعۀ آزمایشگاه‌هایی بر روی تراشه[3] بود که در زمینه‌های گوناگون زیست‌فناوری و شیمیایی کاربرد دارند. در ادامۀ روند پژوهش‌ها، فناوری ریزسیال دیجیتال[4] معرفی شد که قابلیت اجرای آزمایش‌ها و کنترل مراحل مختلف آنها را به‌ صورت دیجیتال فراهم می‌کند. ریزسیال دیجیتال به ‌عنوان یکی از شاخه‌های نوآورانه در علوم و فناوری‌های نوین، مایعات را در مقیاس میکرومتری کنترل و دستکاری می‌کند و بستری مناسب برای انجام آزمایش‌های زیستی خودکار و با ظرفیت زیاد فراهم می‌آورد. به‌ طور کلی، سامانه‌های ریزسیال به دو دستۀ اصلی تقسیم می‌شوند: ریزسیال‌های مبتنی بر کانال و ریزسیال‌های دیجیتال. در روش دیجیتال، مایعات به ‌صورت قطرات مجزا و منفرد بر روی سطحی کنترل‌شده، تحت تأثیر میدان‌های الکتریکی حرکت می‌کنند. این رویکرد، کنترل دقیق‌تر و پردازش موازی نمونه‌ها را ممکن می‌کند. معماری معمول تراشه‌های ریزسیال دیجیتال شامل دو لایۀ اصلی است: لایۀ بالایی که از یک لایۀ شفاف با پوشش آبگریز[5] تشکیل شده و لایۀ پایینی که شامل ماتریسی از الکترودهای مستقل و قابل کنترل است. این الکترودها میدان‌های الکتریکی لازم برای جابه‌جایی قطرات را ایجاد می‌کنند.

این فناوری، به ‌واسطۀ ویژگی‌های منحصربه‌فرد خود، نقشی مهم در شکل‌گیری آیندۀ پژوهش در حوزۀ سیستم‌های زیست‌محاسباتی پیشرفته ایفا می‌کند. قابلیت انجام واکنش‌های زیستی و شیمیایی در حجم‌های بسیار کوچک موجب شده است تا ریزسیال دیجیتال در زمینه‌هایی همچون زیست‌شناسی، شیمی تحلیلی، مهندسی پزشکی و فناوری‌های تشخیصی کاربردهایی گسترده داشته باشد. یکی از کاربردهای مهم این فناوری طراحی و ساخت تراشه‌هایی برای انجام آزمایش‌های زیستی است که در آنها مولکول‌هایی مانند رشته‌های دِنا[6] نقش اساسی ایفا می‌کنند. ادغام ریزسیال دیجیتال با سامانه‌های محاسباتی مبتنی بر دِنا بستری توانمند برای اجرای محاسبات مولکولی پیچیده و همچنین ذخیره‌سازی اطلاعات فراهم می‌کند. محاسبات دِنا، به ‌واسطۀ ویژگی‌هایی همچون چگالی زیاد اطلاعات و توانایی انجام پردازش‌های موازی، تحولی چشمگیر در حوزۀ محاسبات زیستی به ‌وجود آورده است. پژوهش‌ها در این حوزه از دهۀ ۱۹۹۰ آغاز شده‌اند و تمرکز اولیۀ آن‌ها بر توسعۀ تراشه‌های آزمایشگاۀ با اهداف تشخیص پزشکی بوده است. با گذر زمان، این فناوری به حوزه‌هایی مانند مهندسی بافت و دارورسانی هدفمند نیز گسترش یافته است. محاسبات مبتنی بر دِنا عمدتاً با طراحی و توسعۀ دروازه‌های منطقی دیجیتال انجام می‌شوند؛ از جملۀ این دروازه‌ها می‌توان به AND، OR، XOR و سایر عملیات منطقی اشاره کرد. این دروازه‌ها به‌ طور کلی به دو روش مبتنی بر آنزیم و بدون آنزیم طراحی می‌شوند.

در روش مبتنی بر آنزیم، از آنزیم‌های مختلف به‌ عنوان عامل محرک واکنش‌ها بهره گرفته می‌شود. در مقابل، در روش‌های بدون آنزیم، از هیچ عامل خارجی برای پیشبرد واکنش‌ها استفاده نمی‌شود. در این روش، از آغازگرهایی بسیار کوتاه (در حد ۴ تا ۷ نوکلئوتید) به ‌عنوان فاکتور آغازگر واکنش بهره‌گیری می‌شود که با ویژگی‌های خاص خود، قابلیت شروع و ادامۀ واکنش‌ها را دارند. از تکنیک‌های شناخته‌شده در این زمینه می‌توان به واکنش جابه‌جایی رشته[7] و تعویض آغازگر[8] اشاره کرد. آغازگرها رشته­های آغازکنندۀ واکنش­ها با رشته‌های دیگر هستند. واکنش­ها با بالارفتن انرژی سیستم ادامه می­یابند تا به انتهای رشتۀ اصلی برسند. سرعت میانکش‌دادن این آغازگرها به تعداد و نوع نوکلئوتیدهای به‌کاررفته در این آغازگر­ها بستگی دارد. به منظور ساخت دروازه­های منطقی توسط تکنیک محاسبات مبتنی بر دِنا، رشته­هایی از جنس دِنای مصنوعی با طراحی مدنظر سفارش داده شدند تا در شرکت­های مربوط ساخته شوند. این رشته‌ها تحت شرایط خاص و با مواد لازم درون آزمایشگاه کنار هم قرار می‌گیرند تا دروازه­های منطقی مدنظر تشکیل شوند. پس از ساخت دروازه­ها، ورودی­ها (تک‌رشته­هایی از جنس دِنا) به محلول حاوی این دروازه­ها اضافه می‌شوند تا دروازه­ها و ورودی­ها به صورت خودکار هم دیگر را بیابند و با هم واکنش بدهند. واکنش از آغازگر طراحی‌شده (بخشی از رشتۀ ورودی که به عنوان آغازگر در طراحی در نظر گرفته شده است) با مکمل آغازگر خود در دروازۀ منطقی شروع می­شود و به مرور انرژی سیستم بالا می­رود و این واکنش ادامه می­یابد تا خروجی دروازۀ منطقی که از جنس تک‌رشتۀ دِناست، آزاد شود. در ادامه، نحوۀ واکنش یک نمونه دروازۀ AND طراحی‌شده شرح داده می­شود تا مفهوم عملکرد دروازه­های منطقی واضح شود. در شکل (1)، نمایی از یک دروازۀ منطقی AND نشان داده شده است که دارای دو آغازگر به نام­های T* و T1* است که مکمل آغازگرهای دو ورودی مربوط به این دروازه هستند.

اگر ورودی A، با تک‌رشته به صورت <A T^> که دارای آغازگر T^ است در محیط آزمایش وجود داشته باشد، با مکمل خود در دروازۀ منطقی AND یعنی T^* واکنش می­دهد و باعث جداشدن دامنۀ A از رشتۀ بالایی کمپلکس دروازۀ AND می­شود. همچنین، اگر ورودی B با تک رشتۀ <T1^ B> وجود داشته باشد، آغازگر آن (T1^) با آغازگر T1^* از دروازۀ منطقی AND واکنش می‌دهد و باعث جداشدن دامنۀ B رشتۀ بالایی دروازۀ منطقیAND می‌شود. اگر هر دوی این ورودی­ها هم‌زمان با هم در محیط آزمایش وجود داشته باشند، باعث جداشدن رشتۀ بالایی دروازۀ منطقی AND می‌شوند و این تک‌رشته به عنوان خروجی دروازه در نظر گرفته می‌شود. مشابه همین روند در طراحی بقیۀ دروازه­های منطقی با روش جابه‌جایی رشته در محاسبات مبتنی بر دِنا نیز صورت می­گیرد که در ادامه، چند نمونه از کارهای پیشین صورت‌گرفته در این زمینه شرح داده می­شود.

شکل (1): نمایی از یک دروازۀ AND طراحی‌شده با استفاده از تکنیک محاسبات مبتنی بر دِنا

وینفری و همکاران موفق شدند با استفاده از این تکنیک‌ها، دروازۀ منطقی معروف به آلاکلنگ[9] را طراحی کنند که با تنظیم سطح آستانه، قابل تبدیل به دروازه‌های AND و OR است و همچنین قابلیت استفادۀ آبشاری در مدارهای بزرگ‌مقیاس را دارد [۱].

در [2] نیز، دروازه‌های منطق AND، OR و XOR با بهره‌گیری از نانوساختارهای دِنازایم[10] طراحی شده‌اند که نوعی استفاده از آنزیم در طراحی مدارهای زیستی به‌ شمار می‌آید. در پژوهشی دیگر [3]، ساختار دروازۀ XOR معرفی شده که مبنای طراحی یک مدار نیم‌جمع‌کننده قرار گرفته است. طراحی این دروازۀ XOR بر اساس تکنیک «پوشش آغازگر» انجام شده است؛ به این صورت که اگر فقط یکی از ورودی‌ها فعال باشد، رشتۀ مکمل اضافی در سامانه باعث پوشش‌دادن آغازگر ورودی دیگر می‌شود و خروجی تولید می‌شود. در حالتی که هر دو ورودی به ‌طور هم‌زمان فعال باشند، آغازگرهای هر دو ورودی توسط رشته‌های مکمل یکدیگر پوشش داده می‌شوند و در نتیجه خروجی تولید نمی‌شود. از همین ساختار، برای ساخت مدار نیم‌جمع‌کننده نیز استفاده شده است. علاوه بر آن، در [3]، دروازه‌های منطقی XNOR و AND با بهره‌گیری از منطق فازی مبتنی بر محاسبات دِنا طراحی شده‌اند. در این پژوهش، خروجی‌ها با سنجش شدت سیگنال‌های نوری مبتنی بر  FRETتحلیل شده‌اند.

ادغام تکنیک‌های محاسبات مبتنی بر دِنا با فناوری ریزسیال دیجیتال، افقی نو برای انجام سریع، دقیق و خودکار آزمایش‌های زیستی ترسیم می‌کند. پژوهش‌های اخیر در زمینۀ تلفیق این دو فناوری پیشرفت‌هایی چشمگیر را به نمایش گذاشته‌اند. برای نمونه، در سال ۲۰۱۰، جاعو و چاکرابورتی سامانه‌ای بر پایۀ دروازه‌های منطقی دیجیتال در بستر ریزسیال دیجیتال ارائه دادند که با به‌کارگیری مکانیسم خودآزمایی داخلی، موجب افزایش قابلیت اطمینان در آزمایشگاه‌های روی تراشه شد. در این پژوهش، با طراحی دروازه‌های منطقی AND، OR، NOT و XOR و به‌کارگیری عملیات‌های پایۀ ریزسیال دیجیتال مانند انتقال، ادغام و تقسیم قطرات، امکان اجرای چندین آزمون ساختاری و عملکردی در یک قطرۀ منفرد فراهم شد [4]. در ادامه، وانگ و همکاران در سال ۲۰۱۴ با معرفی یک نیم‌جمع‌کنندۀ مبتنی بر دِنای دورشته‌ای، نشان دادند می‌توان دروازه‌های منطقی سنتی را با استفاده از واکنش‌های کنترل‌شدۀ دمادهی[11] و واسرشتن[12] جایگزین کرد. این روش با هدف غلبه بر محدودیت‌های فیزیکی موجود در مدارهای سنتی، کاهش پیچیدگی ساختاری و کاهش هزینه‌های مربوط به ساخت نیم‌جمع‌کننده‌ها ارائه شده است [5]. در سال ۲۰۲۱، لی و همکاران واحد پردازش ریزسیال دیجیتال قابل برنامه‌ریزی و خودکاری را توسعه دادند که بر پایۀ منطق بولی مبتنی بر دِنا عمل می‌کرد. این سیستم توانایی انجام عملیات‌های منطقی مانند AND، OR و XOR را از طریق واکنش‌های زنجیره‌ای دِنا دارا بود. هدف اصلی از این طراحی جایگزینی روش‌های دستی آزمایشگاهی با یک سیستم خودکار برای اجرای محاسبات پیچیده‌تر و ترکیب آبشاری چندین عملیات منطقی بود [6]. در سال ۲۰۲۳، لو و همکاران محاسبات مبتنی بر دِنا را به ‌عنوان رویکردی نویدبخش برای جایگزینی یا تکمیل محاسبات الکترونیکی سنتی معرفی کردند. در این سامانه‌ها، از مولکول‌های دِنا به‌ عنوان عناصر محاسباتی بهره‌گیری شده است. با استفاده از واکنش‌های جابه‌جایی رشته‌ای و دروازه‌های منطقی دوگانه، امکان اجرای مدارهایی با پیچیدگی زیاد، کمترین نشت سیگنال[13] و وفاداری عملکردی زیاد فراهم شده است. در این مسیر، بهره‌گیری از آرایه‌های دروازۀ منطقی قابل برنامه‌ریزی مبتنی بر دِنا و رجیسترهای ساخته‌شده با تکنیک دِنای اُوریگامی موجب کاهش چالش‌های مرتبط با کنترل، مقیاس‌پذیری و مجتمع‌سازی در مدارهای دِنا محور شده است [7].

با وجود تلاش‌های پیشین، تا کنون ساختاری جامع و مناسب برای اجرای تمام‌جمع‌کنندۀ مبتنی بر تکنیک‌های جابه‌جایی رشته در محاسبات دِنا ارائه نشده است که قابلیت استقرار بر روی بستر ریزسیال دیجیتال را نیز داشته باشد. دروازه‌های منطقی، از جمله تمام‌جمع‌کننده، در صورت اجرا روی آزمایشگاه‌های روی تراشه، می‌توانند نقشی مهم در انجام آزمایش‌های زیستی در محل ایفا کنند.

در این مقاله، تلاش شده است تا با بهره‌گیری از تکنیک‌های جابه‌جایی رشته در محاسبات مبتنی بر دِنا، ساختاری نوین برای دروازه‌های منطقی XOR و نیم‌جمع‌کننده ارائه شود. این ساختارها به‌ گونه‌ای طراحی شده‌اند که قابلیت استقرار و عملکرد مؤثر بر روی بستر ریزسیال دیجیتال را داشته باشند. طراحی نیم‌جمع‌کنندۀ پیشنهادی به ‌دلیل سادگی در اجرا، استفاده از تعداد اندک رشته‌های دِنا و عدم وابستگی به هر گونه فاکتور خارجی غیر دِنا، به‌راحتی قابل انطباق با معماری ریزسیال دیجیتال است. در طراحی معماری ریزسیال دیجیتال نیز تلاش شده است تا بلوک‌های عملیاتی به ‌نحوی بهینه انتخاب و در موقعیت‌های مناسب جای‌گذاری شوند تا انجام فرایندهای مدنظر به ‌صورت کارآمد و دقیق امکان‌پذیر شود. به ‌منظور اطمینان از صحت عملکرد ساختار نیم‌جمع‌کنندۀ طراحی‌شده، ابتدا شبیه‌سازی آن به ‌صورت مستقل از بستر ریزسیال دیجیتال و با استفاده از نرم‌افزار Visual-DSD انجام شده است. سپس، فرایند اجرای آن بر روی بستر ریزسیال دیجیتال با استفاده از شبیه‌سازی SSS (سیستم شبیه‌سازی ریزسیال دیجیتال) صورت گرفته است تا کارایی و صحت عملکرد آن در محیط هدف تأیید شود.

یکی از چالش‌های مهم در ادغام دروازه‌های مبتنی بر واکنش‌های جابه‌جایی رشته با محیط پویای ریزسیال دیجیتال، تضمین پایداری واکنش‌ها در حضور تنش‌های ناشی از حرکت قطرات، رقیق‌سازی تدریجی و محدودیت‌های زمانی چرخه‌های الکترودی است. در این پژوهش، با طراحی ساختارهای ماژولار و جداسازی فیزیکی نواحی واکنش، تلاش شده است تا این چالش‌ها برطرف شوند و امکان یکپارچه‌سازی پایدار محاسبات دِنا با DMFB فراهم شود.

در ادامۀ مقاله، بخش دوم به شرح تفصیلی روش اجرا اختصاص یافته است؛ در بخش سوم، روش پیشنهادی بر بستر ریزسیال دیجیتال اجرا و به‌تفصیل شرح داده شده است. نتایج شبیه‌سازی‌های انجام‌شده در بخش چهارم گزارش شده است و در نهایت، در بخش پنجم جمع‌بندی و نتیجه‌گیری روش پیشنهادی ارائه خواهد شد.

• اجرای روش پیشنهادی

در این پژوهش، ساختاری نوین برای تمام‌جمع‌کننده با بهره‌گیری از تکنیک جابه‌جایی رشته در چارچوب محاسبات مبتنی بر دِنا ارائه شده است. عملکرد این ساختار ابتدا با استفاده از شبیه‌ساز معتبر Visual-DSD بررسی و اعتبارسنجی شده است. در ادامه، صحت عملکرد آن در بستر آزمایشگاه روی تراشه با استفاده از شبیه‌ساز SSS ارزیابی شده است.

2-1- ساخت تمام‌جمع‌کننده با استفاده از تکنیک‌های محاسبات مبتنی بر دِنا

تمام‌جمع‌کننده یکی از اجزای کلیدی در انجام عملیات محاسباتی در سامانه‌های دیجیتال پیچیده همچون محاسبات باینری، پردازنده‌ها و مدارهای شمارنده به شمار می‌رود. این مدار قابلیت جمع سه ورودی باینری را داراست: دو ورودی اصلی و یک ورودی انتقالی[14]، و دو خروجی تولید می‌کند: مجموع و رقم نقلی خروجی[15].

رابطۀ منطقی تمام‌جمع‌کننده در معادله‌های (۱) و (۲) به‌ صورت زیر تعریف می‌شود:

شکل (2): ساختار گیت XOR پیشنهادی

 به منظور اجرای تمام‌جمع‌کننده، نیاز به طراحی دروازه‌های منطقی XOR، AND و OR وجود دارد که این دروازه‌ها باید رفتاری مشابه همتای دیجیتال خود داشته باشند. در ادامه، نحوۀ طراحی هر یک از این دروازه‌ها به‌تفصیل شرح داده می‌شود.

 دروازۀ منطقی XOR دارای دو ورودی است و به ‌گونه‌ای عمل می‌کند که در صورتی ‌که فقط یکی از ورودی‌ها برابر ۱ باشد، خروجی نیز ۱ خواهد بود. در حالتی که هر دو ورودی برابر ۰ یا هر دو برابر با ۱ باشند، خروجی صفر خواهد بود. اجرای این دروازۀ منطقی مطابق شکل (1) انجام شده است؛ در بخش (الف) این شکل، ساختار کلی دروازۀ XOR و نحوۀ دریافت دو ورودی نمایش داده شده است. ورودی اول از دو تک‌رشته به‌ صورت <In2 S2 St1 Km> و<In1* S2* St1* Km*> تشکیل شده است. رشتۀ اول ورودی اصلی را تشکیل می‌دهد و رشتۀ دوم برای پوشش‌دادن آغازگر آزاد ورودی دوم استفاده می‌شود. به ‌صورت مشابه، ورودی دوم نیز شامل دو تک‌رشتۀ <In1 S2 St1 Km> و <In2* S2* St1* Km*> است که به‌ترتیب به ‌عنوان ورودی دوم و رشتۀ پوشش‌دهندۀ ورودی اول عمل می‌کنند. در حالتی که هر دو ورودی به‌ طور هم‌زمان حضور داشته باشند، این ورودی‌ها با رشته‌های مکمل خود واکنش نشان می‌دهند و به ‌دلیل اشباع آغازگرها، امکانی برای واکنش با رشته‌های دروازۀ XOR نخواهند داشت. علت این امر حضور آزاد دو آغازگر در رشته‌های ورودی است که به واکنشی سریع‌تر بین آنها نسبت به واکنش با دروازۀ اصلی منجر می‌شود. در ساختار دروازۀ XOR، به‌ازای هر ورودی، فقط یک آغازگر آزاد وجود دارد.

شکل (2) چهار حالت ممکن برای عملکرد این دروازه را نمایش می‌دهد. برای مثال، در حالتی که فقط ورودی اول وجود داشته باشد، توالی <In2> از رشتۀ ورودی با توالی مکمل خود <In2*> از ساختار دروازه واکنش می‌دهد و به آزادشدن رشتۀ<S1 S2 St1 Km> منجر می‌شود که به ‌عنوان یکی از خروجی‌های دروازه شناخته می‌شود. خروجی دیگر رشتۀ <S1 S2 St1 Kms> است که در ازای فعال‌بودن ورودی دوم تولید می‌شود. هر کدام از این خروجی‌ها، در صورت تولید، نمایانگر خروجی فعال دروازۀ منطقیXOR خواهند بود.

دروازه‌های منطقی AND، OR و مبدل در شکل (3) نشان داده شده‌اند. عملکرد دروازۀ منطقی AND به این صورت است که ابتدا ورودی دوم واکنش را آغاز می‌کند و موجب آزادشدن آغازگر S5* می‌شود تا ورودی اول نیز قادر به واکنش و تولید خروجی نهایی باشد (شکل 3-الف). آغازگر S4 از ورودی دوم با آغازگر S4* که در ابتدا به ‌صورت آزاد است واکنش می‌دهد و به دلیل افزایش انرژی سیستم، این واکنش تا S5 ادامه می‌یابد. زمانی که S5* آزاد می‌شود، S5 از ورودی اول می‌تواند با آن واکنش دهد و خروجی <S2 St1 rA1> آزاد شود. ساختار تمام‌جمع‌کننده دارای دو عدد دروازۀ منطقی AND است که عملکرد هر دو یکسان است؛ با این تفاوت که توالی‌های به‌کاررفته در آنها بسته به ورودی‌هایشان متفاوت است. یکی از آنها ورودی‌های اصلی A) و (B تمام‌جمع‌کننده را با یکدیگر AND می‌کند و دیگری خروجی XOR اول و cin را با هم AND می‌کند. خروجی‌های این دو AND طراحی‌شده به‌ترتیب<S2 St1 rA1> و <S2 St1 rA2> هستند و به دروازۀ منطقی OR منتقل می‌شوند. تفاوت این دو خروجی در بخش آغازگر سمت راست آنهاست. ساختار دروازۀ منطقی OR طراحی‌شده شامل دو عدد دورشته‌ای است که قابلیت شناسایی دو خروجی بیان‌شده از دروازه‌های منطقی AND را دارد. برای مثال، اگر تک‌رشتۀ <S2 St1 rA1> تولید شده باشد، rA1 با rA1* از دروازۀ منطقی OR واکنش می‌دهد و موجب تولید تک‌رشتۀ خروجی می‌شود. این روند برای خروجی دروازۀ AND دوم نیز صدق می‌کند؛ بنابراین، ساختار دروازۀ منطقی OR طراحی‌شده، همان‌طور که در شکل (3-ب) دیده می‌شود، قابلیت دریافت دو ورودی متفاوت و تولید یک خروجی واحد را دارد. در صورت تولید خروجی از هر یک از دروازه‌های منطقی AND، خروجی <St1 cout> تولید خواهد شد.

در طراحی نیم‌جمع‌کننده، دو عدد دروازۀ منطقی XOR به ‌کار رفته‌اند که خروجی دروازۀ منطقی XOR اول باید به یک دروازۀ منطقی XOR دیگر ارسال شود تا با ورودی cin عملیات XOR انجام دهد. وجود دو تک‌رشته به ‌عنوان خروجی XOR اول ممکن است موجب بروز اشکال در دریافت ورودی‌های دروازۀ منطقی XOR دوم شود. به همین منظور، ساختار دروازۀ مبدل طراحی شده است تا دو ورودی دروازۀ منطقی XOR به یک تک‌رشتۀ واحد تبدیل شوند. ساختار این مبدل در شکل (3-پ) مشاهده می‌شود. هر کدام از خروجی‌های XOR که وجود داشته باشند، با رشتۀ پایینی این دروازه واکنش می‌دهند و موجب آزادشدن<sm S2 St1> می‌شوند. این تک‌رشته قابلیت ارسال به دروازۀ XOR بعدی را داراست.

شکل (4) ساختار ماژولار تمام‌جمع‌کننده‌ای را نشان می‌دهد که قابلیت اجرا توسط دروازه‌های طراحی‌شده را داراست. این ساختار در زیر‌بخش ۲-۲ بررسی می‌شود و نحوۀ نگاشت آن بر روی ریزسیال دیجیتال تشریح خواهد شد.

۲-2- نگاشت تمام‌جمع‌کنندۀ طراحی‌شده بر روی تراشۀ ریزسیال دیجیتال

در این بخش، نحوۀ نگاشت تمام‌جمع‌کنندۀ طراحی‌شده بر روی تراشۀ ریزسیال دیجیتال تشریح می‌شود. در این فناوری، عملیات منطقی با استفاده از قطرات مایع حاوی مواد زیستی مانند دِنا و کنترل آنها بر سطح تراشه شیشه‌ای یا پلیمری انجام می‌شود. این بستر به ‌ویژه برای سیستم‌های تشخیص پزشکی و آزمایشگاه‌های روی تراشه مناسب است.

ساختار تمام‌جمع‌کنندۀ پیشنهادی مطابق شکل (4) بر روی تراشه نگاشت شده است. هر دروازۀ XOR به یک واحد ریزسیال اختصاص داده می‌شود. در واقع، می‌توان گفت در معماری DMFB هر قطره در هر لحظه فقط یک الکترود را اشغال می‌کند و سایر دروازه‌ها نیز به ‌طور مشابه در واحدهای مجزا قرار گرفته‌اند تا از تداخل واکنش‌ها جلوگیری شود. خروجی‌های تولیدشده در واحدهای میانی به ‌صورت مستقیم به دروازه‌های بعدی ارسال می‌شوند تا در نهایت، سیگنال‌های SUM و COUT تولید شوند.

شکل (3): ساختار دروازه­‌های منطقی پیشنهادی و رشته­‌های دِنای متناظر با دروازه­های منطقی AND، OR و مبدل اجراشده

شکل (4): ساختار سطح گیت از تمام جمع‌کنندۀ با استفاده از دروازه‌های پیشنهادی

برای جلوگیری از تداخل واکنش‌ها در ساختارهای XOR و AND، فاصلۀ میان آغازگرهای آزاد و حوزه‌های مکمل به‌ گونه‌ای انتخاب شد که سرعت واکنش‌های ناخواسته کاهش یابد. شبیه‌سازی غلظت‌ها در Visual DSD نشان داد در تمامی حالات، خروجی در بازۀ ۹۰–۱۰۰ نانومولار باقی می‌ماند که نمایانگر واکنش کامل و نشت کم است. همچنین، در حالت‌هایی که سیستم باید «صفر» تولید کند، غلظت خروجی کمتر از ۱۰ نانومولار باقی ماند که حاشیۀ نویز قابل قبولی ایجاد می‌کند. تعریف این بازه‌ها (۰–۱۰ nM به ‌عنوان صفر و ۹۰–۱۰۰ nM به ‌عنوان یک) مطابق گزارش‌های تجربی وینفری و کیان¹⁶ در دروازه‌های جابه‌جایی رشته است و نشان می‌دهد طرح پیشنهادی با استانداردهای عملی سازگار است.

فرایند اجرا شامل دو مرحلۀ اصلی است:

• مرحلۀ اول (ساخت در فاز مایع): طراحی سطح بالا و معماری عملیات، شامل تقسیم قطرات ورودی، اختلاط در ماژول‌های مربوط و تشخیص خروجی‌ها. این روند به‌ صورت یک گراف توالی نمایش داده می‌شود (شکل 5).
• مرحلۀ دوم (طراحی سطح تراشه): شامل مکان‌یابی واحدها روی شبکۀ الکترودی و مسیر حرکت قطرات، با هدف کاهش فاصله‌ها و جلوگیری از تداخل. سیم‌کشی تراشه بر اساس یک آرایش دوبُعدی ۲۰×۱۵ الکترودی (۳۰۰ الکترود) انجام می‌شود که امکان کنترل مستقل حرکت قطرات را فراهم می‌کند.

همان‌طور که در شکل (6) نشان داده شده است، طراحی پیشنهادی باعث می‌شود کل فرایند جمع فقط در چهار چرخۀ اختلاط، دو چرخۀ جداسازی و یک چرخۀ تشخیص تکمیل شود. تحلیل مسیر بحرانی گراف توالی عملیات نشان می‌دهد بخش عمده‌ای از واکنش‌ها به ‌صورت موازی قابل اجرا هستند که این امر موجب کاهش زمان کل و افزایش کارایی سیستم می‌شود.

نتایج نشان می‌دهد استفاده از این معماری موجب کاهش پیچیدگی، سرعت بیشتر اجرا و امکان مقیاس‌پذیری در سیستم‌های محاسبات مولکولی می‌شود.

• نتایج شبیه‌سازی

در این پژوهش، ساختاری نوین برای اجرای تمام‌جمع‌کننده با استفاده از محاسبات مبتنی بر دِنا ارائه شد و سپس این ساختار بر روی تراشۀ ریزسیال دیجیتال نگاشت شد. طراحی تمام‌جمع‌کننده با هدف استفاده از کمترین تعداد رشته‌های دِنا و بهره‌گیری از ساختارهایی ساده و کارآمد انجام شد. تراشۀ ریزسیال دیجیتال نیز طبق توضیحات ارائه‌شده در بخش سوم، به‌ صورت اختصاصی برای این معماری طراحی و بهینه‌سازی شده است.

در این بخش، نتایج حاصل از شبیه‌سازی ساختار تمام‌جمع‌کننده توسط شبیه‌ساز Visual-DSD ارائه می‌شود. شبیه‌سازی ساختار پیشنهادی تحت مدل واکنش‌های قطعی انجام شده است. در این شبیه‌سازی، ورودی‌ها در بازۀ 0 تا 100 نانومولار (nM) تنظیم شده‌اند؛ به ‌طوری که غلظت  nM۰ به‌ عنوان سطح منطقی صفر و nM100 به ‌عنوان سطح منطقی یک در نظر گرفته شده است. همچنین، غلظت رشته‌های دروازه‌های منطقی نیز برابر  nM100 لحاظ شده است. برای ارزیابی خروجی‌ها، غلظت کمتر از nM10 به ‌عنوان صفر منطقی و غلظت بین nM۹0 تا   nM100 به ‌عنوان یک منطقی در نظر گرفته شده است. بازۀ بین nM10 تا nM۲۰ نیز به ‌عنوان حاشیۀ نویز برای صفر منطقی، و بازۀ nM100 تا nM90 به ‌عنوان حاشیۀ نویز برای یک منطقی شناخته شده است.

شکل (5): گراف توالی مراحل برای نگاشت تمام‌جمع­کننده بر روی تراشه­های ریزسیال دیجیتال

 شکل (6): ساختار چینش و نحوۀ سیم‌بندی تراشۀ پیشنهادی

 چیدمان دروازه‌ها بر روی آرایۀ ۱۵×۲۰ الکترودی به نحوی انجام شده است که طول مسیر حرکت قطرات و احتمال بروز تداخل بین واحدهای واکنش به حداقل برسد. در معماری DMFB استفاده‌شده، هر قطره در هر لحظه فقط یک الکترود را اشغال می‌کند؛ از این ‌رو، انتخاب موقعیت صحیح الکترودهای مربوط به هر دروازه تعیین‌کنندۀ مقدار جابه‌جایی مورد نیاز برای عملیات اختلاط، جداسازی و انتقال است. بر همین اساس، دروازۀ  XORکه بیشترین تعداد ورودی و خروجی را دارد، در ناحیۀ مرکزی تراشه قرار داده شد تا فاصلۀ آن با دو دروازۀ AND و OR حداقل شود. این امر موجب کاهش تعداد جابه‌جایی‌های بین‌الکترودی و در نتیجه، کاهش چهار چرخۀ عملیاتی نسبت به چیدمان‌های خطی می‌شود.

از آنجا که عملیات اختلاط و جداسازی معمولاً به ۴ تا ۶ جابه‌جایی متوالی بین الکترودها نیاز دارند، فاصلۀ حداقل دو الکترود خالی میان دروازه‌ها در نظر گرفته شد تا از ادغام ناخواستۀ قطرات جلوگیری شود و امکان اجرای واکنش‌ها در دروازه‌های مختلف بدون تداخل فراهم شود. این فاصله‌گذاری همچنین تضمین می‌کند میدان الکتریکی اعمال‌شده برای حرکت یک قطره باعث تحریک قطرات موجود در واحدهای مجاور نشود.

ولتاژ اعمالی در تراشه در بازۀ ۸۰–۱۰۰vpp[16] مطابق گزارشات تجربی، تغییر دمای قطره را در حد کمتر از ۲ درجۀ سانتی‌گراد نگه می‌دارد و این مقدار برای حفظ پایداری ساختارهای DNA مبتنی بر جابه‌جایی رشته کاملاً مناسب است. به این ترتیب، انتخاب چیدمان پیشنهادی نه فقط بر اساس ساختار منطقی مدار، بلکه با توجه به محدودیت‌های فیزیکی تراشۀ  DMFB و نیاز به اجرای صحیح واکنش‌های مولکولی صورت گرفته است.

خروجی‌های حاصل از شبیه‌سازی تمام‌جمع‌کننده برای تمام ۸ حالت ورودی ممکن در جدول (1) گزارش شده‌اند. در مواردی که دروازۀ XOR  دارای دو تک‌رشتۀ خروجی است، بیشینۀ غلظت بین آنها برای تحلیل انتخاب شده است. علت این انتخاب آن است که در شرایط آزمایشگاهی، معمولاً قوی‌ترین سیگنال یا غالب‌ترین رشتۀ فعال تعیین‌کنندۀ رفتار نهایی سیستم است. در واقع، این مقدار متناظر با سیگنالی است که در فرایند آشکارسازی عملی (برای مثال، به روش‌های فلورسانس یا FRET) قابل مشاهده و اندازه‌گیری است. بنابراین، استفاده از بیشینۀ غلظت نه فقط ساده‌سازی تحلیل محسوب می‌شود، بلکه با شرایط واقعی اجرای واکنش‌ها نیز سازگاری دارد.

نمودار شکل (7) حالت هشتم از جدول (1) را نمایش می‌دهد. در بخش (الف) این نمودار، خروجی سیگنال SUM مشاهده می‌شود و در بخش (ب)، نتایج شبیه‌سازی واحد ۵ گزارش شده است که مسئول تولید خروجی COUT است. بررسی دقیق نمودارها نشان می‌دهد خروجی‌های تولیدی به‌خوبی در بازه‌های تعریف‌‌شده برای صفر و یک منطقی قرار گرفته‌اند. برای مثال، مقادیر به‌دست‌آمده برای خروجی COUT در حالت ورودی (۱۱۱) حدود nM۹۲ است که با وجود فاصلۀ اندک از مقدار ایده‌آل ( nM100)، همچنان در محدودۀ یک منطقی قرار دارد و حاشیۀ نویز عملکرد سیستم را تحت تأثیر قرار نمی‌دهد. به همین ترتیب، در مواردی که خروجی باید صفر باشد، غلظت‌ها کمتر از nM10 باقی مانده‌اند که نشان‌دهندۀ صحت عملکرد گیت‌های طراحی‌شده است. بنابراین، ساختار پیشنهادی ضمن کاهش تعداد رشته‌ها، قادر است خروجی‌های مورد انتظار را با پایداری مناسب و در محدودۀ تعریف‌ شده تولید کند.

علاوه بر این، تعداد رشته‌های مورد نیاز برای اجرای تمام‌جمع‌کننده‌های ۱، ۸ و n بیتی با استفاده از ساختار پیشنهادی در جدول (2) با روش‌های مبتنی بر Seesaw [1] و اُوریگامی دِنا [8] مقایسه شده است. همان‌طور که در این جدول مشاهده می‌شود، تعداد رشته‌های لازم در روش پیشنهادی به‌ طور ثابت برابر ۱۵ رشته بدون توجه به تعداد بیت‌های ورودی باقی می‌ماند. این ویژگی منحصر‌به‌فرد برخاسته از معماری مبتنی بر ریزسیال دیجیتال است؛ به‌ ویژه فرایند جداسازی قطرات که امکان استفادۀ مجدد از قطرات اولیه در چند مرحله از محاسبه را فراهم می‌کند و از افزایش خطی تعداد رشته‌ها با افزایش تعداد بیت‌ها جلوگیری می‌کند. این مزیت در حالی حاصل می‌شود که سایر روش‌ها مانند  Seesaw و اُوریگامی، با افزایش ابعاد ورودی به‌ طور تصاعدی به تعداد بیشتری از رشته‌ها نیاز دارند.

خروجی‌های حاصل از شبیه‌سازی تمام‌جمع‌کننده برای تمام ۸ حالت ورودی ممکن در جدول (1) گزارش شده‌اند. گفتنی است، در مواردی که دروازۀ XOR دارای دو تک‌رشتۀ خروجی است، بیشینۀ غلظت بین آنها برای تحلیل انتخاب شده است. نمودار شکل (7) حالت هشتم از جدول (1) را به ‌تصویر می‌کشد. در بخش (الف) این نمودار، خروجی سیگنال SUM نمایش داده شده و در بخش (ب)، نتایج شبیه‌سازی واحد 5 گزارش شده است که مسئول تولید خروجی COUT است.

سازوکارهای قبلی مبتنی بر  DMFBمعمولاً ۱۰ تا ۱۴ چرخه نیاز دارند [9]. در روش پیشنهادی، مجموع چرخه‌های لازم برای انجام عملیات جمع برابر ۶ چرخۀ اختلاط و ۱ چرخۀ جداسازی و ۱ چرخۀ تشخیص بود؛ بنابراین، زمان کل اجرای فرایند تقریباً ۸ چرخه است. با فرض زمان 5/0 تا ۱ ثانیه برای هر چرخه، زمان کل بین ۴ تا ۸ ثانیه خواهد بود. این مقدار نسبت به سازوکارهای قبلی مبتنی بر DMFB که ۱۰ تا ۱۴ چرخه نیاز دارند، بهبود حدود ۳۰–۴۰ درصد ایجاد می‌کند.

در جدول (2) نشان داده شد که تعداد رشته‌ها در معماری پیشنهادی با افزایش تعداد بیت ثابت می‌ماند (۱۵ رشته)، در حالی که در روش Seesaw ، افزایش خطی با n دارد؛ این بدان معناست که در یک جمع‌کنندۀ ۸بیتی، معماری پیشنهادی ۸۳ درصد کاهش مصرف رشته نسبت به Seesaw ایجاد می‌کند.

در نمودارهای شکل (7)، اختلاف میان خروجی‌های مورد انتظار و خروجی‌های شبیه‌سازی‌شده کمتر از ۵ درصد است. به ‌طور خاص، در حالت (۱۱۱) غلظت cout برابر ۹۲ nM و فاصلۀ آن از مرز نویز بیشتر از ۸۰ nM است؛ بنابراین، پایداری منطقی خروجی تأیید می‌شود.

جدول (1): نتایج حاصل از شبیه‌سازی تمام‌جمع‌کنندۀ پیشنهادی برای ۸ حالت متفاوت ورودی

جدول (2): مقایسۀ تعداد رشته­های لازم در روش پیشنهادی، دروازۀ seesaw و روش اُوریگامی

• نتیجه‌گیری

در این پژوهش، یک معماری نوین برای اجرای تمام‌جمع‌کننده با استفاده از محاسبات مولکولی مبتنی بر دِنا ارائه شد و سپس نحوۀ نگاشت آن بر روی تراشۀ ریزسیال دیجیتال بررسی شد. طراحی انجام‌شده با هدف کاهش پیچیدگی ساختاری، استفادۀ بهینه از منابع، و به حداقل رساندن تعداد رشته‌های دِنای مورد نیاز انجام شد. با بهره‌گیری از دروازه‌های منطقی بهینه‌شده و الگوریتم‌های دقیق در سطوح معماری و چینش، اجرای این جمع‌کننده به گونه‌ای انجام شد که با کمترین تأخیر زمانی و بیشترین دقت عملکرد، نتایج مطلوب حاصل شود. تراشۀ طراحی‌شده، با ساختار ماژولار و آرایش الکترودی دوبُعدی، توانست فرایندهای کلیدی مانند جداسازی، اختلاط و تشخیص را به ‌صورت کاملاً کنترل‌شده و زمان‌بندی‌شده اجرا کند. شبیه‌سازی‌ها توسط نرم‌افزار Visual DSD و SSS انجام شدند و صحت عملکرد جمع‌کننده را در تمامی حالات ورودی تأیید کردند و نشان دادند سیستم قادر است خروجی‌های SUM و COUT را با دقت زیاد و در بازه‌های تعریف‌‌شده تولید کند.

از سوی دیگر، مقایسه با روش‌های پیشین مانند Seesaw و اُوریگامی دِنا نشان داد طراحی حاضر، به دلیل استفاده از ویژگی‌های ریزسیال دیجیتال مانند تقسیم قطره، از افزایش پیچیدگی با افزایش تعداد بیت‌های ورودی جلوگیری می‌کند. این امر مقیاس‌پذیری بسیار زیادی را برای سیستم به همراه دارد.

در نهایت، این پژوهش نشان داد ریزسیال دیجیتال می‌تواند بستری مناسب برای تحقق محاسبات مولکولی دقیق، کم‌هزینه و قابل‌برنامه‌ریزی فراهم آورد و مسیر را برای توسعۀ سیستم‌های هوشمند زیستی، آزمایشگاه‌های روی تراشه و سامانه‌های تشخیص پزشکی مولکولی هموار کند.

تحلیل‌ها نشان می‌دهد ساختار پیشنهادی، علاوه بر کاهش تعداد رشته‌ها از 9n+53 یا 6n+15 به فقط ۱۵ رشتۀ ثابت، زمان اجرای فرایند را نیز تا حدود ۴۰ درصد نسبت به کارهای موجود کاهش داده است. همچنین، پایداری خروجی‌ها در بازۀ ۹۰–۱۰۰ nM نشان می‌دهد می‌توان به قابلیت استفاده از این روش در تراشه‌های DMFB  واقعی امیدوار بود.

[1] تاریخ ارسال مقاله: 24/02/1404

تاریخ پذیرش مقاله: 01/10/1404

نام نویسنده مسئول: زهره بیکی

نشانی نویسنده مسئول: ایران، اصفهان، دانشگاه اصفهان، دانشکدۀ مهندسی کامپیوتر

[1] DNA Computing

[2] Microfluidic

[3] Lab-on-a-Chip

[4] Digital Microfluidics (DMF)

[5] Hydrophobic

[6] DNA

[7] Strand Displacement Reactions

[8] Primer Exchange Reaction

[9] Seesaw Gate

[10] DNAzyme

[11] Annealing

[12] Denaturation

[13] signal leakage

[14] Carry-in

[15] Carry-out

¹⁶ Winfree & Qian

17 Peak-to-Peak Voltage