Computador analógico usa ondas de água para prever o futuro

Redação do Site Inovação Tecnológica - 30/05/2023

O computador de reservatório usa ondas solitárias que você consegue observar facilmente em um bebedouro.
[Imagem: Yaroslav Maksymov]

Computação analógica

Engenheiros australianos construíram um computador analógico que, diferentemente de seus equivalentes digitais, não funciona usando transistores ou qualquer outro tipo de chave liga/desliga, mas simplesmente água - mais especificamente, água em movimento, do tipo que faz ondas.

Os processadores analógicos podem ter vantagens em várias áreas em relação aos processadores digitais, como imitar o cérebro, fazer uma inteligência artificial autêntica ou juntar processamento e memória.

Já foram feitas várias demonstrações desses princípios, usando as mais diversas plataformas, do processamento com luz a plataformas baseadas em um hardware protônico, mas ninguém até hoje havia conseguido fazer tudo usando apenas água e ondas especiais muito persistentes, chamadas sólitons.

"Tem havido várias previsões teóricas de computadores baseados em sólitons publicadas nos principais periódicos, mas [somos os] primeiros a construí-lo usando um tipo especial de sólitons," garantem Ivan Maksymov e Andrey Pototsky, da Universidade Charles Sturt.

Bob joga pedras no lago, enquanto Alice observa as ondas e tenta prever o tamanho da pedra que Bob irá atirar a seguir.
[Imagem: Yaroslav Maksymov]

Computação com sólitons

Sólitons são pulsos que não perdem facilmente energia e nem o seu formato. Para comparação, um pulso de luz - uma onda com picos e vales - quando transmitido ao longo de uma fibra óptica, tende a perder força. É como se, depois de ter percorrido um pequeno trecho, a onda de luz começasse a "ficar achatada", até desaparecer.

O nome sóliton nasceu a partir da expressão em inglês "solitary wave" - onda solitária. Embora os cientistas frequentemente tratem partículas - elétrons, por exemplo - como ondas, os sólitons são diferentes: Ondas eletrônicas se espalham e perdem força no tempo, o que não acontece com os sólitons porque eles se autorreforçam, o que permite que essas ondas mantenham seu formato e seu movimento por longas distâncias.

Os pesquisadores construíram seu gerador de sólitons fazendo a água de uma pequena fonte fluir sobre uma superfície metálica inclinada. Os sólitons são criados por uma bomba elétrica conectada à fonte, e se movem na superfície do plano inclinado metálico.

Assim, a criação dos sólitons é controlada eletricamente. Por exemplo, o sinal elétrico de entrada que aciona a bomba pode ser um conjunto de dados que correspondem à temperatura, umidade e velocidade do vento medidos por uma estação meteorológica nos últimos dois meses. Se esses dados forem plotados em um gráfico, a curva resultante tem um padrão bastante caótico.

"Portanto, os sólitons criados usando esses dados codificados como um sinal elétrico que aciona a bomba também terão um comportamento caótico. Se deixarmos os sólitons fluírem mais abaixo no plano inclinado, eles criarão um novo padrão caótico," explicou Maksymov.

E está pronta a computação: Basta então ler esse novo padrão caótico, usando uma câmera de alta velocidade, e interpretar os dados como temperatura, umidade e velocidade do vento. O resultado será uma série temporal preditiva dos valores para o futuro próximo.

No protótipo da equipe, usando dados de dois meses passados, o processador de água produziu uma previsão do tempo para os próximos três dias em tudo equivalente ao processamento feito pelos supercomputadores digitais atualmente dedicados à previsão do tempo.

Previsão do tempo usando reservatórios

Essa aparente mágica é feita graças a um conceito chamado computação de reservatório, no qual os cálculos são realizados pelo próprio sistema, sem requerer energia adicional.

Os computadores de reservatório são computadores analógicos, o que significa que eles representam os dados de modo contínuo, ao contrário dos computadores digitais, que representam dados como estados binários discretos "zero" e "um", que mudam abruptamente graças a chaves liga/desliga chamadas transistores.

A representação dos dados de modo contínuo permite que os computadores analógicos modelem certos eventos naturais - aqueles que ocorrem em um tipo de sequência imprevisível, chamada "série temporal caótica" - melhor do que um computador digital.

Para entender como o reservatório faz previsões, imagine um lago no qual você atire pedras grandes e pedras pequenas, e então aprenda a analisar as ondas resultantes para deduzir se acaba de ser lançada uma pedra pequena ou uma pedra grande. No caso do exemplo usado pelos dois pesquisadores, eles usaram inúmeros tamanhos (os dados diários) de três objetos diferentes (equivalentes a temperatura, umidade e vento).

O reservatório faz uma previsão do tempo porque as ondas e os padrões de cada dado (temperatura, umidade e vento) evoluem ao longo do tempo seguindo as mesmas leis da física.

"Taxas de câmbio, consumo de eletricidade, aparecimento de manchas escuras no Sol e variação na quantidade relativa de células maduras no sangue podem ser previstas de maneira semelhante," exemplificou Maksymov.

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