Um computador pode aprender com o passado e antecipar o que acontecerá a seguir, como um ser humano?
Você pode não se surpreender ao saber que alguns modelos de IA de ponta podem alcançar esse feito, mas e um computador que parece um pouco diferente – mais como um tanque de água?
Construímos um pequeno computador de prova de conceito que usa água corrente em vez de um processador de circuito lógico tradicional e prevê eventos futuros por meio de uma abordagem chamada “computação de reservatório”.
Em testes de benchmark, nosso computador analógico se saiu bem em lembrar dados de entrada e prever eventos futuros – e, em alguns casos, até se saiu melhor do que um computador digital de alto desempenho.
Então, como isso funciona?
Jogando pedras na lagoa
Imagine duas crianças, Alice e Bob, brincando na beira de um lago. Bob joga pedras grandes e pequenas na água, uma de cada vez, aparentemente ao acaso.
Pedras grandes e pequenas criam ondas de água de tamanhos diferentes. Alice observa as ondas de água criadas pelas pedras e aprende a prever o que as ondas farão a seguir – e a partir disso, ela pode ter uma ideia de qual pedra Bob jogará a seguir.
Os computadores de reservatório copiam o processo de raciocínio que ocorre no cérebro de Alice. Eles podem aprender com informações passadas para prever eventos futuros.
Embora os computadores de reservatório tenham sido propostos pela primeira vez usando redes neurais – programas de computador vagamente baseados na estrutura dos neurônios no cérebro – eles também podem ser construídos com sistemas físicos simples.
Os computadores reservatório são computadores analógicos. Um computador analógico representa dados continuamente, ao contrário de computadores digitais que representam dados como estados binários “zero” e “um” que mudam abruptamente.
A representação de dados de maneira contínua permite que os computadores analógicos modelem certos eventos naturais – aqueles que ocorrem em um tipo de sequência imprevisível chamada de “série temporal caótica” – melhor do que um computador digital.
Como fazer previsões
Para entender como podemos usar um computador de reservatório para fazer previsões, imagine que você tenha um registro da precipitação diária do ano passado e um balde cheio de água perto de você. O balde será nosso “reservatório computacional”.
Nós inserimos o registro diário de chuva no balde por meio de pedra. Para um dia de chuva leve, jogamos uma pedrinha; para um dia de chuva forte, uma pedra grande. Por um dia sem chuva, não jogamos pedra.
Cada pedra cria ondas, que se espalham ao redor do balde e interagem com as ondas criadas por outras pedras.
Ao final desse processo, o estado da água no balde nos dá uma previsão. Se as interações entre as ondas criarem novas ondas grandes, podemos dizer que nosso computador de reservatório prevê chuvas fortes. Mas se forem pequenos, devemos esperar apenas chuva leve.
Também é possível que as ondas se anulem, formando uma superfície de água parada. Nesse caso, não devemos esperar nenhuma chuva.
O reservatório faz uma previsão do tempo porque as ondas no balde e os padrões de chuva evoluem ao longo do tempo seguindo as mesmas leis da física.
Assim como muitos outros processos naturais e socioeconômicos. Isso significa que um computador de reservatório também pode prever mercados financeiros e até mesmo certos tipos de atividade humana.
Ondas mais duradouras
O computador do reservatório “balde de água” tem seus limites. Por um lado, as ondas duram pouco. Para prever processos complexos como mudanças climáticas e crescimento populacional, precisamos de um reservatório com ondas mais duráveis.
Uma opção é “solitons”. Estas são ondas auto-reforçadas que mantêm sua forma e se movem por longas distâncias.
Para o nosso computador de reservatório, usamos ondas compactas do tipo sóliton. Muitas vezes você vê essas ondas na pia do banheiro ou no bebedouro.
Em nosso computador, uma fina camada de água escorre sobre uma placa de metal ligeiramente inclinada. Uma pequena bomba elétrica altera a velocidade do fluxo e cria ondas solitárias.
Adicionamos um material fluorescente para fazer a água brilhar sob luz ultravioleta, para medir com precisão o tamanho das ondas.
A bomba desempenha o papel de pedras caindo no jogo de Alice e Bob, mas as ondas solitárias correspondem às ondas na superfície da água.
Ondas solitárias se movem muito mais rápido e vivem mais do que ondas de água em um balde, o que permite que nosso computador processe dados em uma velocidade maior.
Então, como ele funciona?
Testamos a capacidade de nosso computador de lembrar entradas passadas e fazer previsões para um conjunto de referência de dados caóticos e aleatórios.
Nosso computador não apenas executou todas as tarefas excepcionalmente bem, mas também superou um computador digital de alto desempenho com o mesmo problema.
Com meu colega Andrey Pototsky, também criamos um modelo matemático que nos permitiu entender melhor as propriedades físicas das ondas solitárias.
Em seguida, planejamos miniaturizar nosso computador como um processador microfluídico. As ondas de água devem ser capazes de fazer cálculos dentro de um chip que opera de maneira semelhante aos chips de silício usados em todos os smartphones.
No futuro, nosso computador poderá produzir previsões confiáveis de longo prazo em áreas como mudança climática, incêndios florestais e mercados financeiros – com custo muito menor e disponibilidade mais ampla do que os supercomputadores atuais.
Nosso computador também é naturalmente imune a ataques cibernéticos porque não usa dados digitais.
Nossa visão é que um computador de reservatório microfluídico baseado em soliton trará ciência de dados e machine learning para comunidades rurais e remotas em todo o mundo. Mas, por enquanto, nosso trabalho de pesquisa continua.
Publicado em 03/06/2023 17h05
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