Design of unconventional electronic systems with parallel bioinspired models

Abstract

Since 1965, Moore’s law is pushing the technology and industry to their limits. The prediction that the number of transistors in a dense integrated circuit will double about every two years has become a realization. But, it seems that this is coming to a close. The roadmap of semiconductors’ construction predicts that the Moore’s theory will be dead during the next five to ten years. The demand in processing power while reducing the amount of energy needed is increasing rapidly. New methodologies are being studied to maintain the industry’s momentum, many of them by moving forward to unconventional methods and combining different scientific fields. Electronics is not the only form of computer hardware. This technology’s growth occurred because it offered the ability to create faster, smaller, cheaper and better computing systems. Since the Moore’s law has been proved safe for many years the whole industry focused only on silicon based computing systems. But, in this transitional stage it is time for other technologies to arise creating new horizons. Self-aware and self-expressive physical systems are inspiring new methodologies for engineering solutions of complex computing problems and this is the base idea on which this thesis is developed: The study of different physical or chemical substrates. Among many other examples, biological structures have proved their ability to solve hard computational problems and survive for thousands of years in competitive environments. The research on understanding the complex procedures in multi-cellular organisms is still in primary levels. The first steps have already began in more simple life forms that present remarkable computing abilities.An example is the slime mold Physarum Polycephalum, a single cell visible by unaided eye, which exhibits self-awareness and self-expressiveness while adapting to changes in its dynamical environment and solving resource-consuming problems like shortest path, proximity graphs or optimization of transport networks. The most interest is concentrated in plasmodium, the vegetative stage of acellular slime mold. This single cell has myriad of nuclei which contribute to a network of biochemical oscillators responsible for the slime mold’s distributed sensing, concurrent information processing and decision making, and parallel actuation. The modeling of slime mold’s behavior is essential when designing bio-inspired algorithms and hardware prototypes. This is the first task that was developed in this thesis. The result is a combination of a computer model called Cellular Automata (CA) with the adaptive potential of Physarum, which creates many opportunities in the field of studying biological computing alternatives. In this thesis, a CA model and a multi-agent approach are proposed to imitate the plasmodium’s behavior. Then, the efficacy of the proposed model on graph problems such as the maze problem or the Traveling Salesman Problem (TSP) is tested. The virtual Physarum model is evaluated on a data set for pattern recognition purposes and achieves to form very effectively the letters of the alphabet, especially when compared with real experiments performed to prove the efficacy of the proposed model. Furthermore, in order to exploit the CA’s inherent parallelism and make the model’s responses faster, both GPU and hardware implementations are proposed and compared. At the next step, the path planning problem is realized by simulating a real problem with a robot in a maze. The solution is based on a parallel chemotaxis bioinspired model. The goal is the effective search of a route, which can connect the starting position of an autonomous robot with a final requested destination. To find this route the robot has to take under consideration its geometry, elements of its environment such as movements’ restrictions by obstacles and other characteristics of the topology. Chemotaxis is a term found in biology and refers to the movement of an organism in response to a chemical stimulus. Among numerous examples of such biological form here we get inspiration by Physarum Polycephalum, since this slime mold has shown the ability to find the shortest path in a maze between two spots, where chemicals exist, by following the gradient of the chemo-attractants. Inspired by this behavior, chemotaxis is used to lead a robot to its desired destination inside a labyrinth. A device transmitting signals can be considered as an equivalent chemical source and the robot’s receiver will follow the increased gradient of signal’s amplitude. Moreover, an effective model, that has the ability to simulate such a problem reducing the calculations’ complexity and in the same time mimicking the specific behavior, namely Cellular Automata (CA) is coupled with chemotaxis. The design and implementation of a CA based bio-inspired algorithm is proposed and an E-Puck robot uses the exact algorithm to find the shortest path in different topologies as a proof of concept. Presented with a spatial configuration of sources of nutrients, the slime mold spans the sources with networks of its protoplasmic tube. These networks belong to a family of planar proximity graphs. The protoplasmic networks also show a degree of similarity to vehicular transport networks. Researchers have shown that the foraging behavior of the slime mold can be applied in archaeological research to complement and enhance conventional geographic information system tools. The results produced suffered from limitation of a flat substrate: transport routes imitated by the slime mold did not reflect patterns of elevations. To overcome the limitation of the ‘flat world’, a three-dimensional model of Balkans is constructed. In laboratory experiments and computer modelling the patterns of the foraging behavior that might shed a light onto development of Roman roads in the Balkans during the imperial period (1st century BC – 4th century AD) are uncovered. As a result of the above, an accelerated virtual lab is developed which uses a multi-agent CA model to describe the behavior of plasmodium and can be used as an intelligent, autonomous, self-adaptive system in various heterogeneous andunknown environments spanning from different types of graph problems up to real life-time applications.Emergent behavior from simple components can also be found in chemistry. Chemical computation refers to computation using chemical reactions. There are several theoretical mathematical expressions that describe those reactions leading to reaction-diffusion computers. The reaction-diffusion (RD) models describe the change in the behavior of one or more chemical substances through space and time. The RD interaction can create waves of chemical concentration when the chemical systems used are far from equilibrium. The velocity and direction of those waves can be controlled and altered using excitable media or inhibitors. In particular, excitable media are spatially distributed systems characterized by their ability to propagate signals undamped over long distances, while inhibitors are used to reduce the propagation of those signals. The behavior of chemical oscillators are based on such media. A mixture that uses reacting chemical compounds in which the concentration of one of these compounds changes periodically has been characterized as chemical oscillator or chemical clock. The choice of an appropriate chemical clock in a two-dimensional thin film can lead to the generation of mechanical forces that produce travelling chemical waves and the result is locomotion. The properties of these waves, such as velocity and direction, can be controlled and altered if the chemical system includes photosensitive components. The most studied example is the Belousov-Zhabotinsky (BZ) reaction which includes some fundamental and essential characteristics that attract chemists, biologists, and computer scientists. Interaction of excitation wave-fronts in BZ system, can be interpreted in terms of logical gates and applied in design of unconventional hardware components. Logic gates and other more complicated components are already proposed using different topologies and particular characteristics. In this thesis, the inherent parallelism and simplicity of Cellular Automata (CA) modelling is combined with the Oregonator model of light-sensitive version of BZ reaction. The resulting parallel and computationally-inexpensive model has the ability to simulate a topology that can be considered as an one-bit full adder digital component towards the design of an Arithmetic Logic Unit (ALU). Furthermore, this Cellular Automaton (CA) model is used in different topologies and by exploiting the light-sensitive and collision based behavior of the Belousov- Zhabotinsky (BZ)chemical oscillator, is used to create a switching element which is capable of distinguishing two binary states, namely a BZ transistor. Inspired by the CMOS technology, we connect two of those BZ transistors to create the basic logic gates such as OR, NOT and the universal logic gates NAND and NOR. The model is designed in the open-source development platform ”Processing”. In order to exploit the parallel characteristics of the chemical reaction that are embodied in the CA model a General Purpose Graphic Processing Unit (GPGPU) is employed using the CUDA-C programming environment. Another engineered system that exhibit a variety of interesting properties such as collective dynamics that are inherited in their building blocks, is the artificial spin ice meta-materials. The building block of such a system is a dipolar nanomagnet with sub-micrometer dimensions. These nanomagnets are arranged in specific designs usually in square shapes and are coupled together by their magnetic interactions. With external magnetic fields it is possible to create magnetic moments or monopoles that cause a frustration to the system. Because of the local interactions those moments travel through the topology. Artificial spin ices were originally developed to mimic the behaviour of spins in their crystal counterparts, such as the rare- earth titanate pyrochlores, which have spins positioned on the corners of tetrahedra. The first concept came from nature and more specific the organization of ice crystal and more specific the way that oxygen and hydrogen molecules are being arranged. In this crystal every oxygen has four hydrogens around it which two are close to it and the two others are shared from the neighboring oxygens. It was found by Linus Pauling that even in very low temperatures the hydrogen atoms remain disordered and follow this two-near, two-far ice rule. Spin ices are materials that consist of regular corner-linked tetrahedra of magnetic ions, each of which has a non-zero magnetic moment, often called spin, which satisfy the "two-in, two-out" rule on each tetrahedron making the crystalline structure. The observation of such structures is a very challenging procedure, because of the extremely fast flipping process of the spins. This is why the researchers use mesoscopic systems with materials such as colloids or spheres of nanomagnets which are placed inside of islands in periodic lattices that generate frustration by design. The interactions between those nanomagnets are based on Coulomb forces and are usually modeled by Brownian equations. In this thesis, we propose a simple CA model that can describe effectively the dynamics between nanomagnets in a square lattice structure. The manipulation of the initial positions of nanomagnets via an external magnetic field and the movement of magnetic moments from one site to another are capable to create Boolean logic. Using the CA model we propose the design of logic gates and computing structures such as half adders and memory elements capable to read and write bits of information.

Από το 1965, ο νόμος του Μουρ πιέζει την τεχνολογία και τη βιομηχανία στα όριά τους. Η πρόβλεψη ότι ο αριθμός των τρανζίστορ σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα θα διπλασιάζεται κάθε δύο χρόνια έχει γίνει πραγματικότητα. Αλλά, φαίνεται ότι αυτή η πρόβλεψη φτάνει σε ένα τέλος. Ο σχεδιασμός των κατασκευαστών ημιαγωγών προβλέπει ότι η θεωρία του Μουρ θα παύσει να ισχύει εντός των επόμενων πέντε με δέκα ετών. Οι ανάγκες σε επεξεργαστική ισχύ, μειώνοντας ταυτόχρονα την ποσότητα της απαιτούμενης ενέργειας αυξάνονται ραγδαία. Νέες μεθοδολογίες μελετώνται για να διατηρηθεί αυτή η ορμή της βιομηχανίας, πολλές από αυτές κινούμενες σε διαφορετικές κατευθύνσεις και αναζητώντας μη συμβατικές μεθόδους και συνδυάζοντας διαφορετικά επιστημονικά πεδία. Τα κλασικά ηλεκτρονικά στοιχεία δεν αποτελούν το μοναδικό υλικό για υπολογισμούς. Η ανάπτυξη αυτής της τεχνολογίας συνέβη επειδή προσέφερε τη δυνατότητα δημιουργίας ταχύτερων, μικρότερων, φθηνότερων και καλύτερων υπολογιστικών συστημάτων. Από τη στιγμή που ο νόμος του Μουρ έχει αποδειχθεί ότι είναι ασφαλής για πολλά χρόνια, όλη η βιομηχανία επικεντρώθηκε μονο στα υπολογιστικά συστήματα που βασίζονται στο πυρίτιο. Αλλά, σε αυτό το μεταβατικό στάδιο, είναι η στιγμή νέες τεχνολογίες να αναδειχθούν και να δημιουργήσουν καινούριους ορίζοντες. Τα αυτο-συνειδητά και αυτο-εκφραστικά φυσικά συστήματα εμπνέουν νέες μεθοδολογίες στα πεδία των μηχανικών για την επίλυση σύνθετων υπολογιστικών προβλημάτων και αυτή είναι η βασική ιδέα πάνω στην οποία αναπτύσσεται αυτή η διατριβή: Η μελέτη διαφορετικών φυσικών ή χημικών υποστρωμάτων με στόχο το σχεδιασμό κυκλωμάτων που είναι ικανά να επιτύχουν υπολογισμούς. Μεταξύ πολλών άλλων παραδειγμάτων, οι βιολογικές δομές έχουν αποδείξει την ικανότητά τους να επιλύουν δύσκολα υπολογιστικά προβλήματα και να επιβιώνουν για χιλιάδες χρόνια σε ανταγωνιστικά περιβάλλοντα. Η έρευνα για την κατανόηση των πολύπλοκων διαδικασιών σε πολυκύτταρους οργανισμούς βρίσκεται ακόμη σε πρωτογενή επίπεδα. Τα πρώτα βήματα έχουν ήδη ξεκινήσει με πιο απλές μορφές ζωής που παρουσιάζουν αξιοσημείωτες υπολογιστικές ικανότητες. Ένα παράδειγμα είναι ο μυξομύκητας Physarum Polycephalum, ένας μονοκύτταρος οργανισμός ορατός με το μάτι, ο οποίος παρουσιάζει αυτογνωσία και αυτο-εκφραστικότητα ενώ προσαρμόζεται στις αλλαγές στο δυναμικό του περιβάλλον και επιλύει προβλήματα κατανάλωσης πόρων, όπως είναι η εύρεση της βέλτιστης διαδρομής, η εφαρμογή σε διάφορα προβλήματα γράφων και η βελτιστοποίηση δικτύων μεταφορών. Το μεγαλύτερο ενδιαφέρον συγκεντρώνεται στο πλασμώδιο, το στάδιο κατα το οποίο ο συγκεκριμένος μυξομύκητας τρέφεται. Αυτό το μονό κύτταρο έχει μυριάδες πυρήνες που συμβάλλουν σε ένα δίκτυο βιοχημικών ταλαντωτών που είναι υπεύθυνοι για την κατανεμημένη αίσθηση, τις ταυτόχρονες πληροφορίες για επεξεργασία, τη λήψη αποφάσεων και την παράλληλη ενεργοποίηση. Η μοντελοποιηση της συμπεριφοράς του συγκεκεκριμένου μυξομύκητα είναι πολύ σημαντική για τη δημιουργία των βιοεμπνευσμένων αλγορίθμων και των πρωτοτύπων σε υλικό. Αρχικά, σε αυτή τη διδακτορική διατριβή έχει αναπτυχθεί ένα επιταχυμένο εικονικό εργαστήριο που χρησιμοποιεί ένα μοντέλο ΚΑ με πολλαπλούς πράκτορες για να περιγράψει τη συμπεριφορά του πλασμωδίου και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ένα έξυπνο, αυτόνομο, αυτοπροσαρμοζόμενο σύστημα σε διάφορα ετερογενή και άγνωστα περιβάλλοντα και η χρήση του εκτείνεται από διαφορετικούς τύπους προβλημάτων γράφων έως και εφαρμογές που μπορούν να λειτουργήσουν σε πραγματικό χρόνο.Πιο συγκεκριμένα, προτείνεται ένα μοντέλο KA και μια προσέγγιση πολλαπλών πρακτόρων οι οποίοι μιμούνται τη συμπεριφορά του πλασμωδίου. Στη συνέχεια, δοκιμάζεται η αποτελεσματικότητα του προτεινόμενου μοντέλου σε προβλήματα γράφων, όπως είναι το πρόβλημα εύρεσης βέλτιστης διαδρομής σε λαβύρινθο ή το πρόβλημα του Πλανώδιου Πωλητή. Το εικονικό μοντέλο του Physarum αξιολογείται σε ένα σύνολο δεδομένων για σκοπούς αναγνώρισης προτύπων και επιτυγχάνει να σχηματίσει πολύ αποτελεσματικά τα γράμματα του αλφαβήτου. Επιπλέον πραγματικά πειράματα, που πραγματοποιήθηκαν για να αποδειχθεί η αποτελεσματικότητα του προτεινόμενου μοντέλου, επιβεβαιώνουν το αποτέλεσμα των προσομοιώσεων. Επιπλέον, προκειμένου να αξιοποιηθεί ο εγγενής παραλληλισμός των ΚΑ και να γίνουν ταχύτερες οι αποκρίσεις του μοντέλου, προτείνονται και συγκρίνονται τόσο οι υλοποιήσεις σε μηχανή γραφικών για υπολογισμούς όσο και ειδικά προσαρμοσμένες υλοποιήσεις σε υλικό, όπως είναι μια FPGA.Επιπλέον, για το πρόβλημα σχεδιασμού διαδρομών προσομοιώθηκε η συμπεριφορά ενός πραγματικού ρομπότ σε λαβύρινθο που κάνει χρήση του βιοεμπνευσμένου μοντέλου. Η λύση βασίζεται σε ένα παράλληλο βιοεμπνευσμένο μοντέλο χημειοταξίας. Ο στόχος είναι η αποτελεσματική αναζήτηση μιας διαδρομής, η οποία μπορεί να συνδέσει την αρχική θέση ενός αυτόνομου ρομπότ με έναν τελικό ζητούμενο προορισμό. Για να βρεθεί αυτή η διαδρομή, το ρομπότ πρέπει να λάβει υπόψη τη γεωμετρία του, στοιχεία από το περιβάλλον του, όπως είναι ο περιορισμός των κινήσεων λόγω εμποδίων και άλλα χαρακτηριστικά της τοπολογίας. Η χημειοταξία είναι ένας όρος που απαντάται στη βιολογία και αναφέρεται στην κίνηση ενός οργανισμού ως απόκριση σε μια χημική ουσία που δρα ως ερέθισμα. Μεταξύ πολλών παραδειγμάτων τέτοιων βιολογικών δομών, στη συγκεκριμένη διατριβή εμπνευστήκαμε από το Physarum Polycephalum, αφού αυτός ο μυξομύκητας έχει δείξει την ικανότητα να βρει το συντομότερο μονοπάτι σε ένα λαβύρινθο μεταξύ δύο σημείων, όπου υπάρχουν χημικά ερεθίσματα, ακολουθώντας την διασπορά και εξάπλωση των χημικών ουσιών που διαχέονται από τα ερεθίσματα στο χώρο. Έτσι, η χημειοταξία χρησιμοποιείται για να οδηγήσει το ρομπότ στον επιθυμητό προορισμό του μέσα σε ένα λαβύρινθο. Μια συσκευή που μεταδίδει σήματα μπορεί να θεωρηθεί ως ισοδύναμη χημική πηγή και το ρομπότ, που είναι ο δέκτης, θα ακολουθήσει την αυξανόμενη ποσότητα του σήματος όσο κινείται στο χώρο. Επιπλέον, ένα αποτελεσματικό εργαλείο, που έχει τη δυνατότητα προσομοίωσης ενός τέτοιου προβλήματος μειώνοντας την πολυπλοκότητα των υπολογισμών και ταυτόχρονα μιμούμενο τη συγκεκριμένη συμπεριφορά, είναι τα ΚΑ και στη συγκεκριμένη περίπτωση συνδυάζονται με τη χημειοταξία. Σε αυτή τη διατριβή παρουσιάζεται ο σχεδιασμός και η εφαρμογή ενός ΚΑ βασισμένου σε αλγόριθμο εμπνευσμένου από τη βιολογία. Επιπλέον ένα ρομπότ E-Puck χρησιμοποιεί τον συγκεκριμένο αλγόριθμο για να βρει τη συντομότερη διαδρομή σε διαφορετικές τοπολογίες. Στη συγκεκριμένη διδακτορική διατριβή προτείνεται επίσης ο σχεδιασμός ενός μοντέλου ΚΑ, που είναι βασισμένο στη συμπεριφορά του πλασμωδίου, με εφαρμογή στην αρχαιολογία. Έχοντας μια χωρική διαμόρφωση με πηγές θρεπτικών συστατικών, ο μυξομύκητας εκτείνεται σε αυτές τις πηγές με δίκτυα του πρωτοπλασματικού του σωλήνα. Αυτά τα δίκτυα ανήκουν σε μια οικογένεια γραφημάτων επίπεδης εγγύτητας. Τα πρωτοπλασματικά δίκτυα δείχνουν επίσης έναν βαθμό ομοιότητας με τα δίκτυα μεταφορών οχημάτων. Οι ερευνητές έχουν δείξει ότι η συμπεριφορά του πλασμωδίου κατά το στάδιο αναζήτησης τροφής μπορεί να χρησιμοποιηθεί και να εφαρμοστεί στην αρχαιολογική έρευνα για να συμπληρώσει και να ενισχύσει τα συμβατικά εργαλεία γεωγραφικών συστημάτων πληροφοριών. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν υπέφεραν από τον περιορισμό ενός επίπεδου υποστρώματος που σημαίνει οι διαδρομές μεταφοράς που μοντελοποιούνται δεν χρησιμοποιούν μοτίβα με διαφορετικά ύψη. Για να ξεπεραστεί ο περιορισμός του «επίπεδου κόσμου», κατασκευάστηκε ένα τρισδιάστατο μοντέλο των Βαλκανίων. Με εργαστηριακά πειράματα και με τη μοντελοποίηση με τη χρήση υπολογιστών αναδεικνύονται μοτίβα συμπεριφοράς του πλασμωδίου που μπορούν να ρίξουν φως στο σχεδιασμό τον ρωμαϊκών δρόμων στα Βαλκάνια κατά την αυτοκρατορική περίοδο (1ος αιώνας π.Χ. - 4ος αιώνας μ.Χ.).Η αναδυόμενη συμπεριφορά από απλά συστατικά μπορεί επίσης να απαντηθεί στη χημεία. Ο χημικός υπολογισμός αναφέρεται στον υπολογισμό χρησιμοποιώντας χημικές αντιδράσεις. Τέτοια παραδείγματα είναι τα χημικά συστήματα αντίδρασης-διάχυσης. Τα μοντέλα αντίδρασης-διάχυσης περιγράφουν την αλλαγή στη συμπεριφορά μιας ή περισσότερων χημικών ουσιών στο χώρο και το χρόνο. Η αλληλεπίδραση αντίδρασης-διάχυσης μπορεί να δημιουργήσει χημικά χωρικά κύματα όταν τα συστήματα που χρησιμοποιούνται δε βρίσκονται σε ισορροπία. Η ταχύτητα και η κατεύθυνση αυτών των κυμάτων μπορεί να ελεγχθεί και να αλλάξει χρησιμοποιώντας κάποιες ουσίες που δρουν ως διεγέρτες ή καταστολείς. Πιο συγκεκριμένα, τα χημικά μέσα που χρησιμοποιούν χημικούς διεγέρτες ειναι συστήματα χωρικά κατανεμημένα που χαρακτηρίζονται από την ικανότητά τους να μεταδίδουν σήματα χωρίς αποσβέσεις σε μεγάλες αποστάσεις, ενώ αυτά που χρησιμοποιούν καταστολείς χρησιμοποιούνται για να εμποδίσουν τη μετάδοση αυτών των σημάτων. Οι χημικοί ταλαντωτές βασίζονται σε τέτοιες συμπεριφορές. Μια χημική ένωση από αντιδρώντα χημικά συστατικά, όπου η συγκέντρωση ενός από αυτά τα συστατικά αλλάζει περιοδικά χαρακτηρίζεται ως χημικός ταλαντωτής ή χημικό ρολόι. Η επιλογή του κατάλληλου χημικού ρολογιού σε ένα διδιάστατο λεπτό υπόστρωμα μπορεί να οδηγήσει στην εμφάνιση περιοδικών μηχανικών δυνάμεων που παράγουν χημικά κύματα που ταξιδεύουν στο χώρο και το αποτέλεσμα είναι να υπάρχει μετακίνηση. Οι ιδιότητες αυτών των κυμάτων, όπως είναι η ταχύτητα και η κατεύθυνση μπορούν να ελεγχθούν και να μεταβληθούν αν το χημικό σύστημα περιέχει φωτοευαίσθητα συστατικά. Το παράδειγμα που έχει μελετηθεί περισσότερο στη βιβλιογραφία είναι η αντίδραση Belousov-Zhabotinsky (BZ), η οποία περιλαμβάνει κάποια θεμελιώδη και ουσιαστικά χαρακτηριστικά που ελκύουν επιστήμονες από το χώρο της χημείας, της βιολογίας καθώς και της πληροφορικής. Αυτή η αλληλεπίδραση των διεγερμένων χημικών κυμάτων σε ένα σύστημα ΒΖ μπορεί να μεταφραστει σε όρους της άλγεβρας Boole και να χρησιμοποιηθεί για το σχεδιασμό μη συμβατικού υλικού για υπολογισμούς. Λογικές πύλες και πολύπλοκες συσκευές έχουν ήδη προταθεί χρησιμοποιώντας διαφορετικές τοπολογίες και συγκεκριμένα χαρακτηριστικά. Σε αυτή τη διδακτορική διατριβή, η εγγενής παραλληλία και η απλότητα των ΚΑ συνδυάζεται με το διαδεδομένο μοντέλο Oregonator σε μια φωτοευαίσθητη εκδοχή της αντίδρασης BZ. Το παράλληλο και φθηνό στην κατανάλωση υπολογιστικών πόρων μοντέλο έχει την ικανότητα να προσομοιώνει μια τοπολογία που λειτουργεί ως ανάλογο ενός πλήρη αθροιστή ενός μπιτ. Με βάση αυτό μπορούν να συνδυαστούν πολλά τέτοια χημικά κυκλώματα για τη δημιουργία πιο πολύπλοκων όπως για παράδειγμα μιας Λογικής Αριθμητικής Μονάδας.Επιπλέον, το συγκεκριμένο μοντέλο ΚΑ στα πλαίσια της διατριβής δοκιμάστηκε σε διαφορετικές τοπολογίες και εκμεταλλευόμενο συμπεριφορές που προκύπτουν λόγω συγκρούσεων των κυμάτων ή φωτοευαισθησίας του χημικού ταλαντωτή ΒΖ, δημιούργησε ενα διακοπτικό στοιχείο με στοιχεία κάποιας ενίσχυσης που είναι ικανό να διαχωρίζει δύο λογικές καταστάσεις, δηλαδή ένα στοιχείο παραπλήσιο του τρανζίστορ βασισμένο στην αντίδραση BZ. Με έμπνευση από την τεχνολογια CMOS, έγινε συνδυασμός δύο τέτοιων διακοπτικών στοιχείων ΒΖ για να δημιουργηθούν λογικές πύλες όπως είναι οι OR, NOT, NAND, NOR κ.α. Το μοντέλο σχεδιάστηκε στην ανοιχτή πλατφόρμα προγραμματισμού "Processing". Με στόχο την εκμετάλλευση των χαρακτηριστικών παραλληλίας της χημικής αντίδρασης, τα οποία ενσωματόνωνται στα ΚΑ χρησιμοποιήθηκε επίσης μια κάρτα γραφικών για υπολογισμούς με το προγραμματιστικό περιβάλλον CUDA-C.Ένα άλλο παράδειγμα υλικών που περιέχουν μια πλειάδα ενδιαφέροντων χαρακτηριστικών, όπως είναι η συλλογική δυναμική που εμπεριέχεται στα δομικά στοιχεία του, είναι τα "Artificial Spin Ice " (ASI). Το δομικό στοιχείο ενός συστήματος που περιέχει τέτοια υλικά είναι ένας διπολικός μαγνήτης με διαστάσεις σε επίπεδο μικρότερο των μικρομέτρων. Αυτοί οι νανο-μαγνήτες τοποθετούνται σε συγκεκριμένες τοπολογίες που έχουν συνήθως τετραγωνικό σχήμα και συνδυάζονται μεταξύ τους λόγω των μαγνητικών αλληλεπιδράσεων. Με την επίδραση εξωτερικών μαγνητικών πεδίων είναι δυνατό να δημιουργηθούν μαγνητικές στιγμές που προκαλούν διέγερση στο σύστημα. Εξαιτίας των τοπικών αλληλεπιδράσεων αυτές οι μαγνητικές στιγμές ταξιδεύουν μέσα στην τοπολογία.Τα συστήματα (ASI) αρχικά αναπτύχθηκαν για να μιμηθούν τη συμπεριφορά των σπινς που υπάρχουν σε διάφορους κρυστάλλους στη φύση. Τέτοια παραδείγματα είναι τα πυροχλωρικά τιτανικά σπάνιων γαιών, των οποίων τα σπινς τοποθετούνται στις γωνίες των τετραέδρων. Η αρχική παρατήρηση προήλθε από τη φύση και πιο συγκεκριμένα από την οργάνωση του κρυστάλλου του πάγου και τον τρόπου που κατανέμονται τα μόρια των οξυγόνων και των υδρογόνων. Σε αυτόν τον κρύσταλλο κάθε οξυγόνο έχει τέσσερα υδρογόνα γύρω του, εκ των οποίων τα δύο βρίσκοντα κοντά του και τα άλλα δύο μακριά του τα οποία μοιράζονται με τα γειτονικά οξυγόνα. O Linus Pauling ανακάλυψε ότι ακόμα και σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες τα άτομα υδρογόνου παραμένουν σε αταξία και ακολουθούν αυτή τη διάταξη δύο-μέσα, δύο-έξω πού είναι ο κανόνας του πάγου. Τα spin ices είναι υλικά των οποίων ο κρύσταλλος αποτελείται από τετράεδρα με γωνίες όπου βρίσκονται μαγνιτικά ιόντα καθένα από τα οποία έχει μη μηδενική μαγνητική στιγμή, που ονομάζεται σπιν και η οποία ικανοποιεί τον κανόνα δύο-μέσα δύο-έξω σε κάθε τετράεδρο. Η παρατήρηση τέτοιων συστημάτων είναι μια αρκετά δύσκολη διαδικασία εξαιτίας της εξαιρετικά γρήγορης εναλλαγής των σπιν. Για αυτό το λόγο, οι ερευνητές χρησιμοποιούν μεσοσκοπικά συστήματα με υλικά όπως είναι μαγνητικές σφαίρες (κολλοειδή), οι οποίες τοποθετούνται μεσα σε νησίδες δύο θέσεων σε πλέγματα με περιοδική διάταξη. Έτσι δημιουργείται διέγερση λόγω του σχεδιασμού, ανάλογα με τη θέση που βρίσκεται η μαγνητική σφαίρα. Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των μαγνητικών σφαιρών βασίζονται στις δυνάμεις Coulomb που ασκούνται και οι οποίες συνήθως μοντελοποιούνται με εξισώσεις Brownian. Σε αυτή τη διδακτορική διατριβή, προτείνεται ένα απλό μοντέλο ΚΑ, το οποίο περιγράφει αποτελεσματικά τις δυναμικές που υπάρχουν μεταξύ των νανομαγνητων σε ενα ASI σύστημα με τετραγωνική διάταξη. Εφαρμόζοντας κάποιο εξωτερικό μαγνητικό πεδίο υπάρχει η δυνατότητα να επηρεαστούν οι αρχικές θέσεις των νανο-μαγνητών, να υπάρξει τοπική διέγερση και να υπάρξει μεταφορά μαγνητικού φορτίου από τη μία περιοχή του πλέγματος στην άλλη, η οποία μπορεί να μεταφραστεί σε δυαδική λογική. Έτσι με αυτό το μοντελο ΚΑ, προτείνεται ο σχεδιασμός λογικών πυλών και υπολογιστικών στοιχείων όπως είναι ημιαθροιστές και στοιχεία μνήμης ικανα να γράψουν ή να διαβάσουν μπιτ πληροφορίας.