13. juni 2023
Et samarbejde om algoritmer kan skubbe ”laboratorium på en chip” ud i den virkelige verden
Af Søren Bjørn-Hansen
Det er svært at få et komplekst stykke hardware til at fungere med alle variablerne i den virkelige verden. Men gennem et DIREC-projektsamarbejde kom Luca Pezzarossa meget tættere på at have en fungerende prototype.
Foto: Bax Lindhardt
For de fleste mennesker betyder udtrykket ”digital micro fluidics” ikke ret meget. Men det er en teknologi, der kan revolutionere laboratoriearbejde.
“Idéen er, at alt det, en biokemiker normalt bruger meget tid på at gøre med pipetter, kan gøres af en enkelt chip i stedet,” forklarer Luca Pezzarossa og viser en kort video af teknologien i brug.
Laboratoriet på en chip er i bund og grund et biokemisk laboratorium skaleret ned til størrelsen af en lille bærbar enhed – en mikroprocessor. Idéen er at få små dråber af væske til at bevæge sig rundt på en chip ved at aktivere en sekvens af elektroder. Luca Pezzarossa’s opgave er at få hardwaren og softwaren til at fungere sammen for at flytte de mikrofluidiske dråber på den rigtige måde.
“Men én ting, der er meget almindelig inden for dette felt, er, at de personer, der laver denne forskning, ikke er biokemikere,” siger han.
Problemet med det er, at der er begrænsninger i den virkelige verden, der gør det meget sværere at flytte dråberne.
“To dråber må ikke komme så tæt på hinanden, som de gør i en simulering, fordi de så ville røre hinanden og flyde sammen. Rent biologisk kan nogle dråber også efterlade en forurenende rest. Bloddråber trækker et spor for eksempel, og så kan andre dråber ikke bevæge sig derhen, hvor blodet har været før,” forklarer Luca Pezzarossa.
Det eksempel repræsenterer et vanskeligt problem. At oversætte noget fra en brugervenlig højniveau-protokol – noget, der er nyttigt for en biokemiker – til en styresekvens er meget svært. Især når begrænsningerne er komplekse virkelighedsbaserede problemer, som f.eks. en dråbe, der efterlader en forurenende blodsti på chippen.
“Da jeg præsenterede disse udfordringer på et DIREC-seminar, sagde to algoritmeorienterede forskere: ‘Det her er meget spændende fra et teoretisk synspunkt. Vi bør ansøge om et DIREC Explore-projekt.’ Og det gjorde vi så,” siger Luca Pezzarossa.
Digital Research Centre Denmark (DIREC) støtter tværfaglig forskning – ofte med eksterne partnere – med såkaldte Explore-projekter, der er små agile forskningsprojekter med det formål at undersøge nye ideer.
I størstedelen af 2022 arbejdede han sammen med to andre lektorer, Eva Rotenberg fra DTU Compute og Lene Monrad Favrholdt fra Syddansk Universitet, på at udvikle algoritmer, der kunne styre denne tidsplanlægning og ruteplanlægning på anvendte cyber-fysiske systemer – mens DTU-forskningsassistent Kasper Skov Johansen, der nu er ph.d.-studerende ved DTU, stod for det meste af det praktiske arbejde.
Foto: Bax Lindhardt
“Vi endte med at opbygge et matematisk framework til at beskrive begrænsningerne. Hvad er de forskellige grænser og regler, som disse dråber skal overholde?” forklarer han.
De har fremlagt ideerne og ved, hvor de vil føre projektet hen næste gang. Nu leder de bare efter finansiering. På lang sigt er deres mål at forbedre laboratoriet på en chip, så det fungerer godt i den virkelige verden i stedet for i en simulering.
Luca Pezzarossa tror, at en prototype er et par år væk. Men det afhænger alt sammen af, hvordan brugerne af laboratoriet på en chip reagerer.
“Når folk begynder at bruge noget, vil de sige ‘det burde ikke opføre sig sådan’. Men det er netop pointen. At forsøge at gøre noget nyttigt og ikke bare flytte farvede dråber rundt. Nogle problemer opdager man kun, når man bringer tingene ud i den virkelige verden,” siger han.
Gennem deres samarbejde opdagede teamet, at det var meget mere komplekst at udvikle de rigtige algoritmer, end de troede. De lykkedes kun delvist med at skabe de rigtige algoritmer. Og det er okay, synes Luca Pezzarossa:
“Det er et svært problem at løse. Og det er også formålet med DIREC Explore. Du udforsker en idé og ser, om der er mere, du kan gøre. Og i dette tilfælde var der mere. Derfor leder vi efter mere finansiering.”
Ifølge Luca Pezzarossa var DIREC Explore-projektet afgørende, fordi det fik dem til at tænke anderledes.
“Vi forsøgte at bringe to verdener sammen, der er meget forskellige. Jeg kommer fra den integrerede systemverden, der er meget støjende og virkelig. Vi bygger ting indeni raketter og biler. Men algoritmeverdenen er meget formel og abstrakt på samme tid. Og det, tror jeg, var et af målene med explore-projektet, at bringe folk sammen fra forskellige felter,” siger han og fortsætter:
“Jeg lærte meget om kommunikation og behovet for at forklare ting på et fælles sprog. Det er nogle gange svært, men det er det hele værd. Ellers er du i din perfekte kasse med alle de ting, du ved. Og det er også god forskning, i princippet. Men den virkelige verden er ikke lavet af perfekte kasser.”
Luca Pezzarossa er adjunkt på DTU Compute. Han kom først til DTU fra sit hjemland Italien som en del af et Erasmus-udvekslingsprogram i 2012. Han skrev sin kandidatafhandling på DTU to år senere og har været her siden da.
