Nanotubos de carbono evoluem para realizar tarefa computacional

Com informações da Agência Fapesp - 08/09/2016

A área cinza corresponde à gota de cristal líquido com os nanotubos, posta sobre os eletrodos (linhas e pontos amarelos). Os eletrodos no pequeno círculo pontilhado são conectados somente pela rede de nanotubos, que passam de desorganizados (no detalhe) para posicionamentos precisos, selecionando as rotas pelos quais o sinal deve passar para realizar o cálculo.
[Imagem: M. K. Massey et al. - 10.1038/srep32197]

Material computacional

No ano passado, o brasileiro Diogo Volpati ajudou a lançar um novo conceito de computação que dispensa os componentes eletrônicos tradicionais.

Em vez de resistores, capacitores e transistores, essa abordagem "treina" nanotubos de carbono, usando algoritmos evolutivos, para que eles aprendam como se organizar e realizem os cálculos.

Agora a equipe conseguiu dar o passo seguinte em seu "material computacional", substituindo os polímeros usados para dispersar os nanotubos por cristais líquidos, o que permitiu criar o primeiro circuito computacional simples com essa nova abordagem.

Os experimentos estão abrindo todo um novo campo de investigação, com um sem-número de aplicações no campo da eletrônica analógica.

Evolução na matéria

Sob a ação de um campo elétrico aplicado ao cristal líquido, os nanotubos de carbono se rearranjam fisicamente, de modo a desempenhar o papel de um nanocircuito, capaz de executar tarefas computacionais simples.

"Em vez de criar um circuito elétrico passo a passo utilizando componentes discretos [capacitores, resistores etc.], nós treinamos uma quantidade de material para que ele desempenhe o papel do circuito e execute a tarefa computacional de separação de conjuntos de dados. Esse treinamento foi feito por meio de um algoritmo evolutivo, baseado em conceitos da biologia," explicou Volpati.

Os nanotubos dispersos em uma gota de cristal líquido - com cerca de um microlitro - foram colocados sobre um conjunto de eletrodos, que forneceram os sinais de entrada e coletam os resultados também pelos sinais elétricos. Sem o sinal, os nanotubos permanecem desorientados, posicionando-se de forma aleatória. Com o sinal, eles se reposicionam, movendo-se no cristal líquido de acordo com as linhas de força do campo elétrico.

"Basicamente, o experimento consistiu em modificar as características morfológicas e as propriedades elétricas do material [o compósito de nanotubos de carbono com cristal líquido] utilizando sinais elétricos. O objetivo da mudança foi treinar o material para executar uma tarefa computacional dentro da rede de eletrodos", resumiu Volpati.

A organização dos nanotubos pode ser controlada dirigindo a eletricidade para eletrodos opostos (a) ou adjacentes (b).
[Imagem: M. K. Massey et al. - 10.1038/srep32197]

Eletrônica analógica sem transistores

A tarefa computacional realizada - a separação de dois conjuntos de dados é extremamente simples, mas o objetivo era apresentar a prova de princípio de que um material pode ser treinado para se comportar de uma forma lógica.

"Tínhamos dados misturados pertencentes a duas classes distintas. E pedimos ao material que os separasse. Cada vez que o erro na separação se mostrava grande, promovíamos a evolução do material, fazendo passar novamente o sinal elétrico entre diferentes eletrodos. E esse processo de treinamento e realização da tarefa foi repetido várias vezes, até os erros serem reduzidos ao mínimo aceitável", detalhou Volpati.

Não se espera que essa abordagem computacional venha competir com os processadores eletrônicos tradicionais, mas dispositivos de baixa potência e baixo custo poderão ser úteis no processamento de sinais analógicos. De acordo com Volpati, no longo prazo as possibilidades são inimagináveis, destacando que a pesquisa definiu todo um novo campo de estudos a ser explorado.

"Nossa abordagem mostrou que uma pequena quantidade de material pode substituir um complexo circuito elétrico. Basta treinar o material para que ele execute a tarefa desejada. Assim como um organismo biológico evolui e executa tarefas, mostramos que um material não biológico também pode evoluir," concluiu ele.

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