Computadoras con lógica de fluidos

Cuando un compañero de trabajo me contó que su teléfono celular había quedado en un bolsillo de un pantalón que fue lavado en el lavarropas, imagine el fin del mismo. Efectivamente el mismo no volvió a funcionar más. Los equipos electrónicos e informáticos no suelen llevarse bien con el agua. Es cierto que existen cámaras, relojes, teléfonos y otros gadgets electrónicos a prueba de agua. Pero en general se tratan de circuitos protegidos y físicamente aislados del agua. Entonces enterarse que existen computadoras que trabajan con agua (y no precisamente como generador de energía) es, por lo menos, bastante llamativo e interesante.

Cuando en junio de 2015 se publicó en la revista Nature Physics los resultados del laboratorio de un grupo de investigadores del departamento de ingeniería mecánica y del departamento de bioingeniería de la Universidad de Stanford sobre la creación de una plataforma para el procesamiento de información en forma de gotas de agua me despertó fuertemente el interés de conocer un poco mas sobre el tema.

No es algo novel realmente la instrucción de computadoras que funcionan con agua como elementos de cálculo. Si bien suele enseñarse la evolución de la creación de mecanismos para el procesamiento de información como el pasaje de la tecnología analógica-mecánica a la digital electrónica, existió lugar en la historia para los ingenios hidráulicos para la manipulación de la información.

Computadora MONIAC

En 1949 William Phillips un economista neozelandés crea la computadora MONIAC (Monetary National Income Analogue Computer). Este computadora - cuyo nombre fue posiblemente influenciado por la computadora creada 3 años antes ENIAC - es una máquina analógica e hidráulica que se construyó para emular el funcionamiento de una economía y los flujos de capital de Reino Unido. Construida con objetivos pedagógicos estaba compuesta por tanques, caños, flotadores, contrapesos, llaves y bombas que de acuerdo a como se abrían y cerraban mostraban el flujo de capitales en los diferentes estamentos de una económica representado por agua a través de diferentes tanques. La máquina resultó atractiva para diversas instituciones incluso para realizar simulaciones de evolución de la economía a través de configuraciones determinadas y se construyeron entre 12 y 14 unidades.

La computadora de Phillips, más allá del modelado de la economía, no era capaz de resolver otro tipo de problemas. Cabe aclarar que la primer computadora programable digital había sido construido apenas algunos años antes. En 1941 Conrad Zuse construye la Z3 en Alemania.

Integrador analógico de Lukyanov

Un caso de análisis interesante es la construcción en 1936 en la Union Sovietica por Vladimir Lukyanov. Esta computadora fue la primera capaz de resolver ecuaciones diferenciales en derivadas parciales. Para lograr esto utilizaba agua que de acuerdo a niveles en tanques representaba las diferentes variables de la ecuación. La circulación del agua en las diferentes cañerias de acuerdo a una configuración inicial resolvía el problema planteado. Lukyanov quería resolver un problema específico: la aparición de grietas en el concreto. La construcción de vias de trenes en los años 20 y 30 era un proceso manual y artesanal. Vladimir quien trabajaba en la construcción de los ferrocarriles estaba preocupado por los problemas de calidad de los mismos. Basado en varias teorías de la época intentó determinar la composición más adecuada al entorno del concreto utilizado en la construcción. La construcción del integrador de agua permitió resolver los modelos matemáticos de una forma eficiente y veloz. Recién en la década de los 80 la tecnología digital llego al nivel suficiente para volver obsoleta esta computadora.

La aparición y evolución de las computadoras electrónicas y digitales en los últimos años fue monopolizando el mercado de la informática. Actualmente servidores, computadoras personales, teléfonos, cámaras e incluso automóviles y electrodomésticos cuentan dentro con tecnología digital y electrónica. En este escenario la aparición de una nueva computadora que funciona con agua sorprende, incluso más si se escucha que se utiliza como unidad de información digital.

Manu Prakash, bioingeniero en la Universidad de Stanford desde hace casi una década trabaja en la elaboración de un tipo de computadora que funciona con "droplets" o gotas de agua como unidad de información. En una placa del tamaño de una estampilla arman caminos metálicos que representan un determina circuito eléctrico. Dentro de ese rectángulo agregan gotas de agua con nanopartículas magnéticas. El resto del espacio es llenado con aceite. El "circuito" se introduce en una cámara rodeada de electromagnetos que sincrónicamente se van activando para construir un reloj que unifica el movimiento de las gotas de agua marcándoles una dirección de desplazamiento. Las gotas de agua

siguen los recorridos establecidos por los caminos metálicos. Al encontrarse dos gotas de agua, al estar cargadas ambas de igual signo magnético se repelen y alguna de las dos debe buscar un camino alternativo. Las gotas de agua son utilizadas como unidad de información binaria. La presencia de de una gota equivale a un 1 y la ausencia a un 0. De acuerdo a los caminos metálicos que se arman se pueden conseguir diferentes compuertas lógicas  (AND, OR, XOR, entre otras) así como memorias (FLIP-FLOPS).

El grupo de investigación de Prakash creo una página web Computing with fluids donde se ocupan de promocionar y divulgar su trabajo. Entre sus páginas se muestran diagramas y videos que explican como funciona su computadora, como se arman los circuitos y se propone participar a los entusiastas enviando sus propios circuitos. A continuación incluyo un video que explica como construir con droplet compuertas AND y OR.


Los autores de este prototipo comentan que aún se puede seguir trabajando para lograr trabajar con caminos y gotas más pequeñas para permitir contener circuitos más complejos en un mismo espacio.  Indudablemente dado la naturaleza física del agua no puede lograr la velocidad de movimiento y por lo tanto de cómputo de los hoy tradicionales circuitos electrónicos. Entonces cuál es el beneficio de este sistema?

Entre los beneficios de este sistema - explican - está la posibilidad de variar la frecuencia del reloj armado con el campo magnético permitiendo actuar a diferentes velocidades de acuerdo a la necesidad. Además - y a mi juicio lo más interesante - permite utilizar a cada gota de agua o droplet como un contenedor de otro fluido de otra naturaleza. De esa forma un circuito lógico además de actuar según su diseño, puede transportar otros elementos para otros procesos.

Veremos con el correr de los próximos años si esta idea pasa a ser utilizada fuera del laboratorio en aplicaciones reales.