domingo, febrero 17, 2019
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Computación química, el futuro de la inteligencia artificial

En 1951, el químico ruso Boris Belousov envió a una revista científica un estudio en el que describía un asombroso hallazgo: mientras trataba de simular un proceso metabólico en el laboratorio, había descubierto una reacción química que se hacía y se deshacía sola, alternando entre un color amarillo y un estado incoloro. Belousov no encontró ninguna revista dispuesta a publicar sus resultados, ya que en apariencia violaban una ley fundamental de la naturaleza.

Sin embargo, su trabajo —que solo salió a la luz en 1959 a través de una breve presentación en un simposio— se ha convertido medio siglo después en la piedra fundacional de una nueva disciplina: la computación química.

Una vía tecnológica alternativa a la computación cuántica y a la convencional, capaz de procesar en paralelo basándose en los mismos principios de funcionamiento de nuestro cerebro, y que promete futuristas aplicaciones, como integrarse en nuestro cuerpo en forma de biosensores inteligentes.

La computación se basa en el uso de compuertas lógicas, que procesan un input de datos —habitualmente en código binario— para producir un resultado o un output. En los chips de nuestros ordenadores, esta función se logra gracias a los semiconductores, materiales con una capacidad binaria de respuesta mediante el movimiento de electrones.

Sin embargo, no es el único sistema posible; la computación cuántica, actualmente en fase experimental, emplea propiedades de las partículas subatómicas que también pueden tomar valores alternativos, con una mayor versatilidad que los semiconductores.

Hasta el hallazgo de Belousov, nadie habría sospechado que las reacciones químicas pudieran actuar como compuertas lógicas. De acuerdo con la segunda ley de la termodinámica, estos procesos son lineales, moviéndose espontáneamente hacia el equilibrio mediante un aumento de entropía, una medida energética del caos; lo hecho no puede deshacerse, al menos por sí solo. Por este motivo, el trabajo de Belousov fue rechazado e ignorado, hasta que una década después fue recuperado, extendido y dado a conocer por el biofísico Anatol Zhabotinsky.

El primer oscilador químico
La reacción de Belousov–Zhabotinsky fue el primer oscilador químico, una reacción no lineal que se mueve alternativamente en un sentido y en el opuesto a medida que el propio proceso modifica las concentraciones de los iones presentes, y que solo se detiene cuando se consumen los reactivos.

En una placa Petri, estas reacciones producen ondas de colores que se difunden desde distintos puntos y que actúan como inputs; la interacción entre estos datos de entrada puede producir como output una nueva onda; un 1, en código binario.

Pero esta capacidad de los sistemas químicos de computar actuando como compuertas lógicas no es algo inventado por el ser humano, sino descubierto, ya que existe en la naturaleza. “Ya estamos utilizando computadoras químicas, porque nuestro cerebro y nuestro cuerpo emplean comunicaciones por difusión de mediadores, neuromoduladores, hormonas, etc.”, cuenta el científico computacional Andrew Adamatzky, director del Centro de Computación No Convencional de la Universidad del Oeste de Inglaterra en Bristol. “Somos computadoras químicas”, resume.

Durante décadas se creía que la capacidad computacional del cerebro radicaba en la neurona como unidad mínima, y que sus piezas subcelulares se limitaban a actuar como simples transmisores de las decisiones tomadas por la célula en función de los inputs recibidos.

Hoy se sabe que no es así, y que partes discretas de la neurona como las dendritas —las ramas que reciben las señales—, el axón —que envía el impulso a otras neuronas— o la sinapsis —el espacio que las comunica entre ellas— son modulables de forma independiente, y por tanto capaces de computar por sí mismas. Esta modulación se ejerce a través de agentes químicos, por lo que el cerebro no es una computadora eléctrica, sino electroquímica.

El cerebro, una computadora en paralelo
La gran versatilidad de cada neurona confiere al cerebro una valiosa virtud: “El cerebro y la computación química son computadoras en paralelo”, explica a OpenMind el biofísico Vladimir Vanag, del Centro de Química No Lineal de la Universidad Federal Báltica Immanuel Kant (Rusia).

La computación paralela no está al alcance de los microprocesadores convencionales (sí de los cuánticos). En la práctica, esta ventaja de la computación química supera uno de sus inconvenientes, su menor velocidad.

Frente a la gran rapidez de los chips electrónicos, la computación química está limitada por la velocidad de la difusión de las reacciones en el medio. Investigadores como Adamaztky trabajan para romper esta barrera: “Los sistemas pueden llevarse a la nanoescala, y esto los hará más rápidos”, afirma.

Sin embargo, advierte que ciertas aplicaciones no requerirán una mayor velocidad: “Cuando las computadoras de reacción-difusión se integren en el cuerpo humano, su velocidad de procesamiento de información se ajustará perfectamente a los procesos naturales”.

Pero en todo caso, Vanag explica con un ejemplo cómo la computación paralela compensa cualquier restricción de velocidad: si un microoscilador —equivalente a un procesador— ocupa un volumen cúbico de 100 micras de lado, un solo centímetro cúbico podría contener un millón de ellos, todos trabajando en paralelo.

Así, “podemos aumentar el número de microosciladores en muchos órdenes de magnitud y superar la velocidad de la computación convencional”, señala. Adiós a la ley de Moore; con la computación química, un pequeño aumento de volumen basta para multiplicar la capacidad de procesamiento. Este es el secreto del cerebro humano, más lento que cualquier ordenador, pero más potente que todos ellos.

Una nueva Inteligencia Artificial
Sumado a esto, la computación química aporta otras ventajas cruciales. “Funcionaría sin electricidad”, apunta Vanag. “Sin virus, con un régimen autónomo de trabajo y una eficiencia extremadamente alta”. Y todo ello empleando únicamente unos cuantos reactivos químicos baratos. Gracias a estas cualidades, la computación química se perfila como una alternativa prometedora para simular el cerebro humano.

Construyendo sistemas de abajo arriba, partiendo de pequeñas redes de osciladores y añadiendo cada vez más capas de complejidad, los científicos aprenden cómo aparecen funciones cognitivas como el reconocimiento de imágenes o la toma de decisiones.

Y por supuesto, una consecuencia de esta recreación química del cerebro sería la posibilidad de obtener nuevos sistemas de Inteligencia Artificial, pero radicalmente diferentes a los que solemos imaginar: robots hechos de gel, sin forma, capaces de dividirse en otros más pequeños de modo que cada uno de ellos funcione de manera independiente. Tal vez incluso embebidos en nuestro propio organismo, analizando nuestros parámetros biológicos, curando nuestras enfermedades, concluye Vanag.

Fuente: Ventana al Conocimiento / Javier Yanes

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