Um close do conjunto de reatores impresso em 3D com padrões emergentes de oscilação química. Crédito:Laboratório de Química Digital, Universidade de Glasgow, Reino Unido. Na intersecção da química e da computação, pesquisadores da Universidade de Glasgow desenvolveram um sistema computacional probabilístico digital-químico híbrido baseado na reação Belousov-Zhabotinsky (BZ) que pode ser usado para resolver problemas de otimização combinatória.
Ao aproveitar a natureza probabilística inerente às reações BZ, o sistema demonstra comportamentos emergentes, como replicação e competição, observados em sistemas complexos, reminiscentes de organismos vivos. Isto poderia abrir caminho para novas abordagens para tarefas computacionais que são perturbadas pelas limitações impostas pela computação moderna.
A combinação de controle eletrônico e dinâmica química oferece uma maneira de realizar computação eficiente, combinando o melhor de ambos para o desenvolvimento de plataformas de computação adaptativas e bioinspiradas com eficiência e escalabilidade incomparáveis.
A pesquisa liderada pelo Prof. Leroy Cronin, Cátedra Regius de Química da Universidade de Glasgow, foi publicada na Nature Communications . O professor Cronin conversou com Phys.org sobre seu trabalho e declarou sua motivação para fazer o mesmo.
“Eu queria ver se poderíamos criar um novo tipo de sistema de processamento de informações químicas, pois estou inspirado em como a biologia pode processar informações em cérebros úmidos”, disse ele.
Limitações da computação moderna
A computação moderna depende de transistores, os blocos de construção de dispositivos eletrônicos, que são usados para criar portas lógicas e células de memória, formando a base dos circuitos digitais. Porém, a necessidade e a demanda por mais poder computacional significa que os transistores estão ficando cada vez menores.
A miniaturização de transistores tem várias limitações devido às restrições impostas pela fabricação e pelas leis da física. Quanto menor o transistor, mais difícil é fabricá-lo e requer mais energia, dissipando mais calor e sendo cada vez menos eficiente em termos energéticos.
Isto levou os cientistas a explorar outros tipos de computação, como a computação quântica, que embora seja extremamente poderosa na resolução de problemas, os computadores clássicos não podem sofrer de problemas de escalabilidade devido à correção de erros.
Por outro lado, a computação baseada em processos físicos, como reações químicas, utiliza uma mistura de sistemas como digital, químico e óptico. Isto abre novos caminhos para arquiteturas de computação não convencionais com capacidades que vão além dos sistemas digitais tradicionais.
A reação BZ
A reação BZ é um exemplo clássico de oscilador químico, com as concentrações dos reagentes e dos produtos sofrendo alterações periódicas. É observado em muitos sistemas químicos, como ambientes de laboratório e sistemas biológicos.
A capacidade da reação BZ de exibir dinâmicas complexas e não lineares a torna uma escolha atraente para estudar fenômenos emergentes e paradigmas de computação não convencionais.
Nesta pesquisa, a reação BZ serve de base para um sistema computacional híbrido devido ao seu comportamento oscilatório inerente, adaptabilidade e capacidade de resposta a estímulos externos. Ao aproveitar a dinâmica das reações BZ, os pesquisadores podem emular comportamentos complexos observados em sistemas naturais, fornecendo uma plataforma versátil para computação.
As concentrações podem servir como informação binária (com 0 sendo concentrações baixas e 1 para concentrações altas) e as concentrações oscilantes podem servir como variáveis dependentes do tempo. Além disso, a informação pode se propagar entre células individuais com reações BZ através de processos como a difusão.
O professor Cronin explicou ainda:"A reação tem dois estados ativados e desativados e cada caixa [ou célula] na rede pode piscar independentemente, em sincronia ou após a comunicação. Este é o processo pelo qual o sistema pode ser programado para calcular um problema que é então lido pela câmera."
Um processador de informação programável híbrido
O núcleo do processador de informações é uma grade impressa em 3D de reatores interconectados. Cada reator ou célula hospeda a reação BZ, tornando-se uma série de reações BZ.
A entrada para esse arranjo é eletrônica e controlada por agitadores magnéticos capazes de manipular a reação dentro dessas células. Existem também agitadores interfaciais capazes de facilitar as interações entre células acopladas (via difusão), o que ajuda a sincronizar as oscilações.
Os pesquisadores observaram que as oscilações das concentrações dos reagentes e dos produtos ocorrem como oscilações amortecidas forçadas, com os agitadores desempenhando um papel crucial no seu controle.
Esse comportamento é uma característica das reações BZ, onde as espécies químicas sofrem mudanças periódicas de concentração ao longo do tempo. Essas mudanças são percebidas pelas mudanças na cor dos líquidos.
O processamento de saída envolve dois componentes principais:uma rede neural convolucional (CNN) e uma máquina de estado finito de reconhecimento (rfsm). Esses componentes analisam as concentrações de reagentes e produtos na reação BZ, que são capturadas por câmeras de vídeo.
A CNN classifica as concentrações em estados químicos discretos, enquanto o rfsm determina o estado químico correspondente com base nesta classificação.
Em termos simples, os estados químicos discretos são classificados e determinados com base nas concentrações de reagentes e produtos dentro da reação BZ, que são probabilísticas devido à natureza das reações.
A natureza probabilística surge porque a reação BZ é não linear, resultando em interações complexas entre espécies químicas que apresentam variabilidade e imprevisibilidade inerentes em seu comportamento ao longo do tempo.
Todo o sistema opera de maneira suave e contínua com base em um ciclo de feedback baseado nas mudanças de cores do líquido. Quando as concentrações estão oscilando o sistema está “ligado” indicado pelas cores azuis e quando há falta de oscilações os líquidos ficam vermelhos, significando que o sistema está “desligado”.
Este loop manipula os agitadores com base nas cores, garantindo que o processo seja contínuo com auxílio de controle “forçado” ou externo.
Autômatos celulares químicos e solução de problemas de otimização
Os pesquisadores usaram o processador híbrido para demonstrar sua capacidade computacional através da implementação de autômatos celulares químicos (CCA) em 1D e 2D.
São modelos matemáticos para simular sistemas complexos compostos por componentes simples interagindo localmente entre si de acordo com regras predefinidas.
Isto leva a comportamentos emergentes, como a replicação e a competição exibidas pelos "Chemits", que são entidades multicelulares definidas por padrões de concentrações químicas dentro da rede de reatores interconectados que hospedam a reação BZ.
Esses comportamentos se assemelham aos observados em organismos vivos e contribuem para a complexidade e adaptabilidade do sistema computacional.
Além disso, os pesquisadores demonstram que sua abordagem computacional, que incorpora componentes eletrônicos e químicos, pode enfrentar com eficiência desafios de otimização combinatória, como o problema do caixeiro viajante.
Do lado da aplicação, sistemas híbridos como esses podem ser muito úteis para tarefas de aprendizagem profunda que exigem comportamento não linear. Os sistemas químicos oferecem inerentemente tais características, tornando as arquiteturas de computação híbrida eficientes em termos de recursos para problemas específicos onde as não linearidades e o comportamento probabilístico são vitais.
O professor Cornin acrescentou:“Vejo que uma versão de estado sólido poderia substituir o hardware de inteligência artificial e ser treinada com muito mais facilidade”.
No futuro, ele deseja explorar a miniaturização desta tecnologia e aumentar o tamanho da rede para resolver problemas verdadeiramente grandes.
