Τρίτη, 10 Δεκεμβρίου 2019

Από το «Διαδίκτυο των Πραγμάτων» στο «DNA των Πραγμάτων». Storing data in everyday objects

Ερευνητές από την Ελβετία και το Ισραήλ βρήκαν μια πρωτοποριακή μέθοδο να αποθηκεύουν πληροφορίες σχεδόν σε κάθε αντικείμενο, έτσι ώστε αυτό να μπορεί να αναπαραχθεί πολλές φορές με βάση τις οδηγίες που φέρει το ίδιο στο εσωτερικό του. Ο τρόπος αποθήκευσης της πληροφορίας είναι ίδιος όπως στα έμβια όντα: στα μόρια του DNA. Δημιουργούνται έτσι πράγματα που έχουν τη δική τους μνήμη συνθετικού DNA. A research team with members from ETH Zurich has discovered a new method for turning nearly any object into a data storage unit. This makes it possible to save extensive data in, say, shirt buttons, water bottles or even the lenses of glasses, and then retrieve it years later. The technique also allows users to hide information and store it for later generations. It uses DNA as the storage medium. A 3D-printed plastic rabbit. The plastic contains DNA molecules in which the printing instructions have been encoded. (Photograph: ETH Zurich / Julian Koch)

Μέχρι σήμερα είχε καταστεί εφικτό να αποθηκεύονται τεράστιοι όγκοι δεδομένων όχι σε σκληρούς δίσκους ή σε άλλα μαγνητικά μέσα που έχουν ημερομηνία λήξης, αλλά στο βιολογικό μόριο του DNA, το οποίο έχει προταθεί ως η λύση για την μακρόχρονη αποθήκευση πολύτιμων δεδομένων. Η νέα τεχνική αποθήκευσης σε συνθετικό DNA ανοίγει νέες δυνατότητες, που μπορούν μελλοντικά να επεκτείνουν το Διαδίκτυο των Πραγμάτων στο DNA των Πραγμάτων.

Τα ζωντανά όντα περιέχουν στο DNA τους τις πληροφορίες για τη δημιουργία και τη λειτουργία τους. Αυτό δεν συμβαίνει στα υλικά αντικείμενα, συνεπώς οποιοσδήποτε θέλει π.χ. να εκτυπώσει τρισδιάστατα ένα πράγμα, πρέπει επίσης να διαθέτει ξεχωριστά σε ψηφιακή μορφή και τις κατάλληλες οδηγίες. Αν κανείς χρειαστεί να τυπώσει το ίδιο αντικείμενο μετά από χρόνια, θα πρέπει να έχει πρόσβαση στις αρχικές ψηφιακές πληροφορίες, καθώς το ίδιο το αντικείμενο δεν αποθηκεύει τις οδηγίες για την εκτύπωση του.

ETH Zurich researchers and an Israeli scientist have discovered a new method for turning nearly any object into a data storage unit. This makes it possible to save extensive data in, say, shirt buttons, water bottles or even the lenses of glasses, and then retrieve it years later. The technique also allows users to hide information and store it for later generations. It uses DNA as the storage medium. Credit: ETH Zürich

Τώρα, για πρώτη φορά στον κόσμο, οι ερευνητές, με επικεφαλής τον καθηγητή Ρόμπερτ Γκρας του Τμήματος Χημείας και Εφαρμοσμένων Βιοεπιστημών του Ελβετικού Ομοσπονδιακού Ινστιτούτου Τεχνολογίας (ΕΤΗ) της Ζυρίχης, που έκαναν τη σχετική δημοσίευση στο περιοδικό βιοτεχνολογίας «Nature Biotechnology», κατάφεραν να αποθηκεύουν τις πληροφορίες μέσα στο ίδιο το αντικείμενο.

«Με αυτή τη μέθοδο, μπορούμε να ενσωματώσουμε οδηγίες τρισδιάστατης εκτύπωσης μέσα σε ένα αντικείμενο, έτσι ώστε μετά από δεκαετίες ή ακόμη και αιώνες να είναι δυνατό να ανακτηθούν αυτές οι πληροφορίες άμεσα από το ίδιο το αντικείμενο», δήλωσε ο Γκρας.

Ενδεικτικά, οι ερευνητές παρήγαν από τρισδιάστατο εκτυπωτή ένα πλαστικό κουνέλι, το οποίο περιέχει μέσα του τις οδηγίες για την εκτύπωση του (περίπου 100 kilobytes δεδομένων). Το πέτυχαν αυτό, προσθέτοντας στο πλαστικό μικροσκοπικά γυάλινα σφαιρίδια που περιείχαν συνθετικό DNA.

«Έτσι, όπως τα πραγματικά κουνέλια, το δικό μας πλαστικό κουνέλι περιέχει επίσης τις δικές του οδηγίες για την αναπαραγωγή του», δήλωσε ο Γκρας. Και όπως στα έμβια όντα, η νέα τεχνολογία διατηρεί αυτές τις πληροφορίες για αρκετές γενιές, οπότε αρκεί να ανακτηθούν οι πληροφορίες από το πλαστικό κουνέλι, ώστε να παραχθεί ένα καινούριο. Οι ερευνητές επανέλαβαν τη διαδικασία για πέντε διαδοχικές γενιές πλαστικών κουνελιών, χωρίς την παραμικρή απώλεια ή σφάλμα των δεδομένων, ακόμη και όταν είχαν περάσει εννέα μήνες από την προηγούμενη «αναπαραγωγή».

«Το DNA είναι σήμερα το μόνο αποθηκευτικό μέσο που μπορεί να υπάρξει και σε υγρή μορφή, πράγμα που μας επιτρέπει να το εισάγουμε σε αντικείμενα οποιουδήποτε σχήματος», ανέφερε ο Ισραηλινός επιστήμονας της πληροφορικής Γιανίβ Έρλιχ.

The lenses in ETH doctoral student Julian Koch’s glasses contain a short video. (Photograph: ETH Zurich / Jonathan Venetz)

Μια πρόσθετη εφαρμογή της νέας τεχνολογίας είναι όχι η αποθήκευση, αλλά η απόκρυψη πληροφοριών μέσα σε αντικείμενα (στεγανογραφία). Οι ερευνητές έδειξαν ότι είναι δυνατή, εφαρμόζοντας την σε ένα μυστικό αρχείο που είχε διασώσει από το γκέτο της Βαρσοβίας ένας Εβραίος ιστορικός για μην πέσει στα χέρια των Ναζί. Το κείμενο ψηφιοποιήθηκε και αποθηκεύτηκε (1,4 megabytes) σε γυάλινα σφαιρίδια, τα οποία μετά ενσωματώθηκαν στους φακούς κοινών γυαλιών μυωπίας. Στη συνέχεια ήταν δυνατή η ανάκτηση αυτών των κρυμμένων πληροφοριών.

«Δεν θα υπήρχε κανένα πρόβλημα να περάσεις ένα τέτοιο ζευγάρι γυαλιά από τους ελέγχους ασφαλείας των αεροδρομίων και έτσι να μεταφέρεις πληροφορίες από το μέρος στο άλλο χωρίς να γίνεις αντιληπτός», ανέφερε ο Έρλιχ, που έχει δημιουργήσει την εταιρεία Yaniv Erlich Lab LLC. Οι πληροφορίες μπορούν να κρυφτούν θεωρητικά σε οποιοδήποτε πλαστικό αντικείμενο.

Ακόμη, με τη νέα τεχνολογία είναι δυνατό να ενσωματωθούν πληροφορίες σχετικά με την ποιότητα τους μέσα σε κατασκευαστικά υλικά, χρώματα και άλλα προϊόντα, έτσι ώστε να ανακτώνται άμεσα από τις αρμόδιες αρχές ή κάθε άλλο ενδιαφερόμενο κατά τον έλεγχο του αντικειμένου.

Προς το παρόν, η μέθοδος είναι σχετικά ακριβή, καθώς η «μετάφραση» ενός ψηφιακού αρχείου (π.χ. οδηγιών για 3D-εκτύπωση) και η αποθήκευση του σε συνθετικά μόρια DNA μέσα στο αντικείμενο κοστίζει περίπου 2.000 ελβετικά φράγκα.

Πηγές: Koch J, Gantenbein S, Masania K, Stark WJ, Erlich Y, Grass RN: A DNA-of-things storage architecture to create materials with embedded memory. Nature Biotechnology, 9 December 2019, doi: 10.1038/s41587-019-0356-z - https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2019/12/dna-of-things-storing-data-in-everyday-objects.html - https://www.amna.gr/home/article/414441/Apo-to-Diadiktuo-ton-Pragmaton-sto-DNA-ton-Pragmaton