Ingenieros crean una computadora con un procesador en una gota de agua

Desde impulsar ruedas de agua hasta hacer girar turbinas, el agua se ha utilizado como el principal motor de la maquinaria y el centro neurálgico de la industria durante muchos siglos. En la antigüedad, las fuerzas del agua que fluye incluso fueron aprovechadas para hacer funcionar los primeros relojes rudimentarias. Ahora, los ingenieros de la Universidad de Stanford han creado la primera computadora operada por agua del mundo. Utilizando partículas magnetizadas que fluyen a través de una red de canales micro-miniatura, máquina funciona como un reloj, y se afirma que es capaz de realizar operaciones lógicas complejas.

Mediante el uso de gotas de agua del tamaño de semillas de amapola e impregnadas con nanopartículas magnéticas, la nueva computadora de fluidos utiliza campos electromagnéticos para bombear con precisión estas gotitas en torno a un conjunto de puertas físicas para realizar operaciones lógicas. Suspendidas en aceite y programadas para moverse en pasos muy específicos, las gotitas en el sistema teóricamente se pueden utilizar para llevar a cabo cualquier proceso que una computadora electrónica normal realiza, aunque a velocidades considerablemente más lentas.

El profesor asistente de Standford, Manu Prakash, ha pasado casi una década pensando en un dispositivo de este tipo, desde que era un estudiante de posgrado. Los muchos y variados componentes necesarios de una computadora de fluidos se han creado y unido lentamente en su mente durante ese tiempo, con el componente más fundamental de todos – un reloj de funcionamiento preciso para conducir la lógica – siendo el elemento crucial para llevar su invento a buen término. En última instancia, Prakash construyó un campo magnético giratorio para sincronizar el flujo de todas las gotitas de una manera precisamente cronometrada, de tal manera que actuaran como un reloj.

“La razón por la cual las computadoras funcionan de manera tan precisa es que cada operación sucede de forma sincrónica; es lo que hace que la lógica digital sea tan potente en primer lugar”, dice Prakash.

De acuerdo con los investigadores de Stanford, este nuevo tipo de ordenador ofrece una manera de producir una alternativa a los equipos electrónicos complejos de alta velocidad, y llevar el procesamiento lógico al mundo físico. De esta manera, la computadora de fluidos puede encontrar aplicaciones en áreas como la biología, la química y otras ciencias físicas y tecnologías que utilizan procesos más afines a las propiedades de organización que se encuentran en la naturaleza.

“Ya tenemos ordenadores digitales para procesar la información”, declaró Prakash. “Nuestro objetivo no es competir con los ordenadores electrónicos o operar procesadores de texto con computadoras de fluidos. Nuestro objetivo es construir una clase completamente nueva de equipos que pueden controlar y manipular precisamente la materia física. Imagínense si al ejecutar una serie de cálculos no sólo la información es procesada, sino también la materia física es manipulada algorítmicamente. Acabamos de hacer esto posible en la mesoescala”.

Para crear la lógica de fluidos, Prakash y el estudiante graduado de Stanford Georgios Katsikis, construyeron grupos de bloques de hierro minúsculos sobre portaobjetos de vidrio para que actuaran como puertas lógicas físicas. De forma similar a un laberinto, toda la estructura está llena de aceite y cubierta con una lámina de vidrio claro, de modo que el fluido se encuentra entre las capas. Para ello, los investigadores colocaron gotitas de agua separadas e infundidas con nanopartículas magnéticas.

A continuación, rodearon el dispositivo con una serie de grandes bobinas electromagnéticas que, cuando se encienden inducen un campo magnético en las barras de hierro. Este campo magnético tiene su polaridad cambiada alternativamente y de forma continua, por lo que también hay un cambio en el campo magnético inducido de las barras de hierro, y las gotas de agua magnetizadas son movidas alrededor del circuito. Cada alternancia del campo electromagnético equivale a un ciclo de reloj, y cada gota se mueve exactamente un paso adelante con cada uno de estos ciclos.

Para observar el proceso, una cámara de vídeo se utiliza para capturar los intercambios entre gotitas individuales, y observar el cálculo de fluidos en tiempo real. Como tal, los unos y ceros del código binario están representados por la presencia o ausencia de una gotita de agua, mientras que el ciclo de reloj magnéticamente inducido garantiza que la transferencia de las gotitas de agua sea una sinfonía impecable la cual, los investigadores creen, significa que el sistema puede funcionar prácticamente siempre sin errores.

“Siguiendo estas normas, hemos demostrado que podemos hacer todas las puertas lógicas universales utilizadas en la electrónica, simplemente cambiando la disposición de las barras en el chip”, dijo Katsikis. “El espacio de diseño real en nuestra plataforma es increíblemente rica. Pueden darnos cualquier circuito lógico booleano en el mundo, y podemos construirlo con estas pequeñas gotas magnéticas al moverse”.

El equipo también cree que, desde el punto de vista de la ciencia fundamental, el trabajo es interesante, ya que proporciona un nuevo aspecto en computación en el mundo físico. Como tal, al igual que la física de cálculo se ha utilizado para entender los límites de la computación electrónica, ahora los elementos físicos de bits de información pueden ser estudiados como una nueva forma de controlar la materia a mesoescala (10 micras a 1 mm).

Dado que el nuevo sistema también es físicamente fuerte en comparación con los dispositivos electrónicos y se adhiere a las normas de diseño universal, Prakash y su equipo tienen la intención de producir una herramienta de diseño para estos circuitos de fluidos que pueda ser utilizada por cualquiera.