En la intersección de la química y la computación, investigadores de la Universidad de Glasgow han desarrollado un sistema computacional probabilístico híbrido digital-químico basado en la reacción de Belousov-Zhabotinsky (BZ) que puede usarse para resolver problemas de optimización combinatoria.
Al aprovechar la naturaleza probabilística inherente de las reacciones BZ, el sistema demuestra comportamientos emergentes como la replicación y la competencia que se observan en sistemas complejos, que recuerdan a los organismos vivos. Esto podría allanar el camino para nuevos enfoques de tareas computacionales que se ven afectados por las limitaciones impuestas por la computación moderna.
La combinación de control electrónico y dinámica química ofrece una forma de realizar cálculos eficientes, combinando lo mejor de ambos para el desarrollo de plataformas informáticas adaptativas y bioinspiradas con una eficiencia y escalabilidad incomparables.
La investigación dirigida por el profesor Leroy Cronin, catedrático Regius de Química de la Universidad de Glasgow, se publicó en Nature Communications. . El Prof. Cronin habló con Phys.org sobre su trabajo y expresó su motivación para realizar el mismo.
"Quería ver si podíamos crear un nuevo tipo de sistema de procesamiento de información química, ya que me inspira cómo la biología puede procesar información en cerebros húmedos", dijo.
La informática moderna se basa en transistores, los componentes básicos de los dispositivos electrónicos, que se utilizan para crear puertas lógicas y células de memoria, que forman la base de los circuitos digitales. Pero la necesidad y demanda de más potencia computacional significa que los transistores son cada vez más pequeños.
La miniaturización de transistores tiene varias limitaciones debido a las limitaciones impuestas por las fabricaciones y las leyes de la física. Cuanto más pequeño es el transistor, más difícil es de fabricar y requiere más potencia, disipando más calor y siendo cada vez menos eficiente energéticamente.
Esto ha llevado a los científicos a explorar otros tipos de computación, como la computación cuántica, que si bien es extremadamente poderosa para resolver problemas, las computadoras clásicas no pueden sufrir problemas de escalabilidad debido a la corrección de errores.
Por otro lado, la computación basada en procesos físicos, como reacciones químicas, utiliza una mezcla de sistemas como el digital, el químico y el óptico. Esto abre nuevas vías para arquitecturas informáticas no convencionales con capacidades más allá de los sistemas digitales tradicionales.
La reacción BZ es un ejemplo clásico de oscilador químico, en el que las concentraciones del reactivo y del producto sufren cambios periódicos. Se observa en muchos sistemas químicos, como entornos de laboratorio y sistemas biológicos.
La capacidad de la reacción BZ para exhibir dinámicas complejas y no lineales la convierte en una opción atractiva para estudiar fenómenos emergentes y paradigmas informáticos no convencionales.
En esta investigación, la reacción BZ sirve como base para un sistema computacional híbrido debido a su comportamiento oscilatorio inherente, adaptabilidad y capacidad de respuesta a estímulos externos. Al aprovechar la dinámica de las reacciones BZ, los investigadores pueden emular comportamientos complejos observados en sistemas naturales, proporcionando una plataforma versátil para el cálculo.
Las concentraciones pueden servir como información binaria (siendo 0 concentraciones bajas y 1 concentraciones altas) y las concentraciones oscilantes pueden servir como variables dependientes del tiempo. Además, la información puede propagarse entre células individuales que tienen reacciones BZ mediante procesos como la difusión.
El profesor Cronin explicó además:"La reacción tiene dos estados, encendido y apagado, y cada cuadro [o celda] de la red puede parpadear de forma independiente, sincronizada o después de la comunicación. Este es el proceso mediante el cual se puede programar el sistema para calcular un problema que luego es leído por la cámara."
El núcleo del procesador de información es una red impresa en 3D de reactores interconectados. Cada reactor o celda alberga la reacción BZ, lo que la convierte en una serie de reacciones BZ.
La entrada a esta matriz es electrónica y está controlada por agitadores magnéticos capaces de manipular la reacción dentro de estas células. También existen agitadores interfaciales capaces de facilitar las interacciones entre células acopladas (vía difusión), esto ayuda a sincronizar las oscilaciones.
Los investigadores observaron que las oscilaciones de las concentraciones de reactivo y producto se producen como oscilaciones amortiguadas forzadamente, y los agitadores desempeñan un papel crucial en su control.
Este comportamiento es un rasgo característico de las reacciones BZ, donde las especies químicas experimentan cambios periódicos de concentración a lo largo del tiempo. Estos cambios se notan por los cambios en el color de los líquidos.
El procesamiento de salida implica dos componentes clave:una red neuronal convolucional (CNN) y una máquina de reconocimiento de estados finitos (rfsm). Estos componentes analizan las concentraciones de reactivos y productos dentro de la reacción BZ, que se capturan mediante cámaras de video.
La CNN clasifica las concentraciones en estados químicos discretos, mientras que el rfsm determina el estado químico correspondiente basándose en esta clasificación.
En términos simples, los estados químicos discretos se clasifican y determinan en función de las concentraciones de reactivos y productos dentro de la reacción BZ, que son en sí mismas probabilísticas debido a la naturaleza de las reacciones.
La naturaleza probabilística surge porque la reacción BZ no es lineal, lo que resulta en interacciones complejas entre especies químicas que exhiben variabilidad e imprevisibilidad inherentes en su comportamiento a lo largo del tiempo.
Todo el sistema funciona de forma fluida y continua basándose en un circuito de retroalimentación basado en los colores cambiantes del líquido. Cuando las concentraciones oscilan el sistema está "encendido" indicado con colores azules y cuando faltan oscilaciones, los líquidos están en rojo, lo que significa que el sistema está "apagado".
Este bucle manipula los agitadores en función de los colores, asegurando que el proceso sea continuo con la ayuda de un control "forzado" o externo.
Los investigadores utilizaron el procesador híbrido para mostrar su capacidad computacional mediante la implementación de autómatas celulares químicos (CCA) en 1D y 2D.
Se trata de modelos matemáticos para simular sistemas complejos compuestos por componentes simples que interactúan localmente entre sí según reglas predefinidas.
Esto conduce a comportamientos emergentes como la replicación y la competencia exhibidos por los "Chemits", que son entidades multicelulares definidas por patrones de concentraciones químicas dentro de la red de reactores interconectados que albergan la reacción BZ.
Estos comportamientos se parecen a los observados en organismos vivos y contribuyen a la complejidad y adaptabilidad del sistema computacional.
Además, los investigadores demuestran que su enfoque computacional, que incorpora componentes electrónicos y químicos, puede abordar de manera eficiente desafíos de optimización combinatoria, como el problema del viajante.
En el lado de las aplicaciones, los sistemas híbridos como estos podrían ser muy útiles para tareas de aprendizaje profundo que requieren un comportamiento no lineal. Los sistemas químicos ofrecen inherentemente tales características, lo que hace que las arquitecturas de computación híbrida sean eficientes en cuanto a recursos para problemas específicos donde las no linealidades y el comportamiento probabilístico son vitales.
El profesor Cornin añadió:"Veo que una versión de estado sólido podría reemplazar el hardware de inteligencia artificial y ser entrenada mucho más fácilmente".
En el futuro, desea explorar la miniaturización de esta tecnología y aumentar el tamaño de la red para resolver problemas realmente grandes.
Más información: Abhishek Sharma et al, Un procesador de información química digital híbrido programable basado en la reacción de Belousov-Zhabotinsky, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45896-7.
Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza
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