Fluídica: Computação a Água

No meu artigo anterior falei sobre a idéia de computadores completamente mecânicos, falando um pouco da Máquina de Turing (um modelo matemático de um computador abstrato) e das Máquinas Diferencial e Analítica de Charles Babbage (inclusive sobre implementações em LEGO). Depois que publiquei me lembrei que poderia ter citado também o Mecanismo de Anticítera – então agora remeto vocês para o artigo sobre ele escrito pelo amigão Kentaro Mori.

Depois dos computadores mecânicos, no final eu prometia falar de computadores fluídicos – computadores sem partes móveis em que o fluxo de elétrons é substituído por fluidos como ar, água ou óleo, com tubos, canos e mangueiras ao invés de fios. Ao assunto, então!

Fluídica na Ficção Científica

Provavelmente o primeiro contato com de muita gente com a idéia foi assistindo ao clássico Rollerball – Os Gladiadores do Futuro (1975). No filme existe Zero, um supercomputador fluídico baseado em lógica fuzzy que armazena toda a informação de todos os livros do mundo:

rollerball

Livros, livros ? Mudaram completamente. Todos foram transcritos. Toda a informação está aqui. Temos o Zero, é claro. Ele é o cérebro central, o cérebro do mundo. Mecânica de fluidos, fluídica. Ele é líquido, vê ? Suas águas tocam todo o conhecimento do mundo. [...] Ele flui por todos os nossos sistemas de armazenamento. Ele considera tudo. Tornou-se tão ambíguo hoje em dia que parece não ter certeza de nada.

Hoje em dia, mesmo sem o Zero é fácil encontrar o trecho de Rollerball em que Zero aparece (vídeo em inglês, sem legendas em português) e também o script original do filme.

Rollerball é 1975, e na época a Fluídica estava bombando – uma quantidade enorme de verbas foi investida em sua pesquisa, nos Estados Unidos (falaremos disso mais tarde) – e provavelmente por isso ela foi a tecnologia escolhida para aumentar a suspensão de descrença do filme.

Água x Elétrons

Quando estudava eletrônica (e até hoje, quando preciso explicar pra alguém) eu costumava imaginar que os elétrons se comportavam como água. Carga elétrica (em Coulombs) virava quantidade de água (em litros). A corrente (em Ampère, Coulomb por segundo) virava o fluxo de água (litros por segundo). A tensão da corrente (em Volts) é equivalente à pressão da água, e a resistência de um fio, à espessura do cano que transporta o líquido.

Uma bateria armazena energia potencial química, que causa uma diferença de potencial elétrico nos terminais (que faz com que a corrente elétrica circule). No nosso exemplo didático, temos uma caixa d’água, e a diferença de pressão entre a caixa d’água e um cano no térreo é o potencial que coloca a água nos canos em movimento (usando a energia potencial gravitacional). Quando você abre a torneira (o interruptor) a diferença de pressão (potencial) faz com que a água (elétrons) fluam da caixa d’água (pólo positivo) pelo cano (fio) até o ralo (pólo negativo / “terra”).

Pensar desse jeito torna o básico que se aprende de eletrônica e eletricidade no ensino médio algo bem concreto – a maioria das pessoas já brincou mais com mangueiras de jardim e torneiras do que com fios e baterias. Fica fácil entender porque uma tensão (pressão d’água) muito alta danifica um aparelho (ao ligar um aparelho 110V numa tomada 220V) mas uma bateria com capacidade de fornecer muita corrente não danifica aparelhos de baixo consumo (você simplesmente tem mais água na caixa d’água).

De qualquer forma, eu imaginava que esse raciocínio era só um recurso didático, e não poderia ser aplicado em nada mais sofisticado. Por exemplo, eu sempre imaginava torneiras – dispositivos mecânicos, móveis, que controlam o fluxo, da mesma forma que interruptores fazem com a corrente elétrica. Mas o mais interessante da eletrônica (pelo menos pra mim, na época) era usar a eletricidade para controlar eletricidade: usando um transistor (o amplificador mais simples que existe) uma corrente elétrica de baixa intensidade controla uma corrente elétrica muito mais forte (e.g. a corrente baixíssima induzida por um microfone controla a corrente muito mais alta consumida pelas caixas de som enormes no seu show de rock preferido).

Descobri que meu problema era fazer um transistor de água. Anos mais tarde eu iria aprender como fazer um, lendo sobre uma feira de ciências de 1962!

Os Circuitos de Água de Murray O. Meetze, Jr.

Em 1962, o estudante de segundo grau Murray O. Meetze, Jr, ganhou a Feira Nacional de Ciências de 1962, nos Estados Unidos. O projeto dele era o equivalente a uma válvula triodo a água, sem partes móveis. A válvula triodo foi aposentada há décadas; hoje em dia ninguém a usa (exceto uns poucos audiófilos, entusiastas de rádios e TVs antigos, ou interessados em aplicações muito específicas). Ela foi substituída pelo seu equivalente de estado sólido (feito apenas com metais semicondutores, sem necessidade de tubo de vidro a vácuo), o transistor.

Certa vez, completamente por acaso, eu me deparei com uma longa reportagem numa Scientific American da época, descrevendo o tabalho de Meetze. Eu fiquei maravilhado; as soluções dele eram incrivelmente simples, e com elas daria pra aumentar meu “laboratório fluídico imaginário” de uma forma que não achava que seria possível. Além do transistor, Meetze mostrava como fazer um flip-flop (ou multivibrador bi-estável) fluídico, o equivalente a um bit de memória RAM, e também um amplificador (com funcionamento igual ao de um amplificador eletrônico de som).

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Depois de vários anos procurando, enquanto me preparava para escrever esse artigo eu encontrei novamente a deliciosa matéria da Scientific American. A qualidade do scan está bem baixa, mas a leitura é recomendadíssima. Uma curiosidade: a página sobre Fluídica da Wikipedia em inglês cita Murray O. Meetze como criador da válvula triodo fluídica, mas não dá referências! Vou tentar editar o post para incluir isso, mas é preciso uma correção: o próprio Meetze diz à Scientific American que a tecnologia havia sido desenvolvida pelo Diamond Ordnance Fuze Laboratories, do exército americano, mas quase tudo era confidencial na época.

Com transistores fluídicos eram possível criar portas lógicas fluídicas. Com portas lógicas e flip-flops, a única coisa que impedia a construção de um computador completamente fluídico era o tamanho ! Aliás, recentemente um estudante do MIT pôs a mão na massa e resolveu fazer algo parecido, usando – é claro – peças de LEGO! O projeto, bem simples, foi feito com fins exclusivamente didáticos – bem alinhado com o que me despertou o interesse por fluídica (e também com o trabalho de Meetze).

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Ao revisar esse artigo, o Kentaro me falou de um outro tipo de computador baseado em água, o MONIAC. Ele também foi construído originalmente com fins didáticos, mas era capaz de fazer simulações bem complexas da economia do Reino Unido. O MONIAC é um computador analógico que usa quantidade de água para representar os dados, como os integradores a água da União Soviética dos anos 1930, que eram capazes de resolver equações diferenciais parciais não-homogêneas – se você sabe o que é isso vai entender a importância da coisa! Mas o MONIAC era baseado em hidráulica, não em fluídica. A diferença é que sistemas hidráulicos têm várias partes móveis, mecânicas – êmbolos, pistões, “torneiras”, etc.  – uma abordagem bem diferente da fluídica, onde só o que se move é o próprio fluido.

A Fluídica nos Anos 1960-1980

Assim como eu, muita gente ficou animadíssima com as possibilidades que a Fluídica trazia. Nos anos 1960 e 1970 computadores eletrônicos eram frágeis, caros e lentos, e a robustez e simplicidade dos circuitos fluídicos era muito atrativa. Esse entusiasmo é fica claro ao ler artigos da época, publicados em revistas como Popular Mechanics e Popular Science. O divertido é que o conteúdo integral dessas revistas está disponível on-line, gratuitamente; o Google, mesmo sem tecnologia fluídica, faz o papel do Zero de Rollerball, hoje em dia! :-) Além disso, os artigos são extremamente acessíveis, explicando de forma bem clara o funcionamento dessa Fluídica de primeira geração.

Na época falavam-se, por exemplo, de circuitos fluídicos para controlarem o câmbio automático e a injeção de combustível em automóveis (ao invés da moderna injeção eletrônica que temos hoje), e substitutos fluídicos dos giroscópios dos sistemas de navegação pré-GPS.

Fluídica: Como Ensinaram uma Corrente de Ar a Pensar. Popular Science, junho de 1967

Controle Potência com Fluido. Popular Mechanics, julho de 1967

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Mais tarde, outras aplicações envolviam aviônicos e circuitos de controle de mísseis e aviões militares; a idéia é que no caso de um ataque nuclear, o pulso eletromagnético gerado pelas bombas danificaria qualquer aparelho eletrônico, tornando impossível o vôo de caças aerodinamicamente instáveis. Caças aerodinamicamente instáveis precisam de auxílio de computador o tempo todo durante o vôo; um dos primeiros exemplos famosos foi o Grumman F-14 Tomcat, cujo ângulo das asas e outras superfícies de vôo é controlado por um dos primeiros microprocessadores eletrônicos integrados (desenvolvido secretamente antes do histórico Intel 4004).

Em 1985 a mesma Grumman investia pesadamente em sistemas fluídicos de controle de vôo, e nem tudo ficou só na especulação ou em projetos militares de pesquisa; chegaram a ser produzidos modelos do Honda Accord com esses sistemas de navegação, por exemplo.

Fluídica: Computação sem Eletrônica. Popular Science, fevereiro de 1985

Mas apesar do oba-oba a Fluídica nunca obteve o sucesso previsto, muito provavelmente por causa do avanço rápido da eletrônica. Válvulas eram caras e frágeis, mas com o advento do transistor e, mais tarde, do circuito integrado tornou-se possível o uso de eletrônica em cenários muito mais críticos e extremos, e o chão de fábrica foi um dos primeiros alvos. A velocidade dos circuitos eletrônicos – milhares ou milhões de vezes superior a dos fluídicos – foi outro fator decisivo para a tecnologia ser esquecida ou relegada a nichos muito específicos.

1990s: Microfluídica

A Fluídica clássica não cumpriu todas as promessas, mas nos anos 1990 surgiram vários produtos baseados na sua prima de menor escala, a Microfluídica. A diferença está na escala: circuitos cujos dutos são da ordem de micrômetros (e não milímetros ou centímetros) apresentam comportamentos muito diferentes, porque nessa escala efeitos antes desprezíveis como tensão superficial e fluxo laminar tornam-se importantíssimos. Essa escala menor permite, por exemplo, que construam circuitos fluídicos “digitais”, em que se manipulam não um fluxo contínuo de fluido mas minúsculas gotas individuais.

Uma das tecnologias mais populares que foram muito influenciadas pela microfluídica foram as células de combustível. Células de combustível produzem eletricidade diretamente a partir de oxidante e combustível (oxigênio e hidrogênio, na maioria das vezes), sem a necessidade da tradicional combinação de motor a explosão e gerador elétrico (como nos carros). A microfluídica é usada para controlar o fluxo de oxidante e combustível, tornando essas células muito mais eficientes.

Mas, de longe, a aplicação de microfluidica que mais me interessa são os microarrays de DNA. Microarrays são chips, produzidos por processos microfluídicos, que contém milhares de fragmentos de material genético, organizados em forma de matriz. Quando se deposita material genético nesse chip, ele identifica exatamente quais trechos de material genético – quais genes – estão ativos naquela amostra. Isso permite a criação em larga escala de perfis de expressão genética, ou seja, perfis que mostrem quais genes do DNA estão “funcionando” num determinado momento. Simplesmente saber a seqüência de genes de um organismo (o objetivo do projeto Genoma) não é tudo; é muito mais importante descobrir como esses genes interagem entre si e a dinâmica deles ao longo da vida. Doenças, atividade física e intelectual, e vários outros fatores ativam e desativam a expressão genética em questão de horas, e os microarrays permitem que se tire uma “foto” dos genes em atividade.

Aqui no Vetta Labs trabalhamos há vários anos desenvolvendo software para análise de perfis de expressão genética produzidos por experimentos com microarrays. A maior parte desse esforço é feito em conjunto com a empresa americana Biomind, e desse esforço surgiu também um projeto opensource de ferramentas de bioinformática, o OpenBiomind, cujo principal mantenedor é o amigão Lúcio “Dr. Omni” Coelho.

O Futuro: Nanofluídica

Quando reduzimos ainda mais a escala saímos da microfluídica e entramos em algo ainda mais complexo, a nanofluídica. Agora os “canos” dos circuitos fluídicos são tão pequenos que sua espessura pode ser medida em moléculas dos fluidos que passam por eles (são usados, por exemplo, nanotubos de carbono). Nessa escala a noções como viscosidade e as propriedades elétricas das moléculas envolvidas são completamente diferentes do que se observa em circuitos fluídicos e microfluídicos, produzindo efeitos extremamente interessantes, como a dupla camada elétrica produzida usando nanocapilares.

As pesquisas em nanofluídica despertam muito interesse hoje; os planos são o desenvolvimento, por exemplo, de “laboratórios em um chip”, um circuito nanofluídico e microfluídico capaz de realizar uma série de experimentos bioquímicos de forma autônoma, usando amostras reduzidíssimas de material. Esses laboratórios poderiam ser utilizados em diagnóstico de doenças, monitoramento e análise de ambientes, aplicações de segurança como detecção de armas químicas e explosivos.

A Fluídica não é mera curiosidade histórica ou recurso didático. Como a maioria das tecnologias, as previsões feitas a respeito de como ela seria utilizada se mostraram bem distantes da realidade; ao mesmo tempo, as aplicações reais desenvolvidas acabam se mostrando ainda mais fantásticas e interessantes que os sonhos dos primeiros pesquisadores.

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Computadores Mecânicos feitos com LEGO

Costumo dizer que a palavra preferida de cientistas da computação é abstração: de sistemas complexos de software até o nível mais baixo no hardware, quase tudo que fazemos tem a ver com abstrair os detalhes do nível abaixo para realizar de forma simples tarefas no nível superior. Ao acessar à Internet com seu browser, por exemplo, você não precisa fazer a menor idéia de como a informação é transmitida por cabo, linha de telefone ou rede sem fio.  Abstraímos esses detalhes dizendo que estamos apenas conectados à Internet.

E, se fosse pra escolher a abstração preferida dos cientistas da computação, eu diria que é a Máquina de Turing (proposta pelo genial Alan Turing em 1936). Todo computador – do seu celular ou videogame até o maior supercomputador do mundo – pode ser visto como uma Máquina de Turing. Ela é um modelo matemático simplificado do que é um computador. Qualquer programa de computador pode ser reescrito para ser executado por uma máquina de Turing.  Provar que é impossível resolver um problema usando uma Máquina de Turing é provar que nenhum computador é capaz de resolver esse problema.

A Máquina de Turing é uma abstração, um conceito – não existe de forma concreta. Quando você constrói um computador, você está implementando parcialmente uma máquina de Turing (a Máquina de Turing ideal tem memória infinita). Ela segue regrinhas simples: os programas e os dados são escritos numa fita (imagine uma fita de papel ou uma fita magnética) e a máquina lê as instruções e os dados da fita, toma decisões simples, e escreve os resultados na fita. Seu computador lê do disco rígido ou da rede, e mostra informações na tela, mas no fim das contas funciona como se lesse ou escrevesse da fita (ou seja, a fita é uma abstração dos dispositivos de entrada, saída e armazenamento).

Recentemente fez sucesso (pelos tradicionais 15 minutos) um vídeo de uma Máquina de Turing feita de LEGO, mostrado abaixo.

Eu disse que todo computador é uma Máquina de Turing; isso significa que alguém construiu um computador de verdade, completamente mecânico, apenas com pecinhas de plástico ? Estamos acostumados a computadores eletrônicos; será possível um computador mecânico, movido a manivela ?

Infelizmente, não. A tal da Máquina de Turing de LEGO é só uma brincadeira, uma ilustração, é uma máquina de Turing de mentirinha. Quem controla todo o movimento da máquina é na verdade um pequeno microcomputador eletrônico, um módulo do LEGO Mindstorms. Ora, o microcontrolador dos Mindstorms é uma implementação eletrônica da Máquina de Turing, então nossa esperança de um computador não-eletrônico feito de LEGO foi por água abaixo!

Mas não desanimem ainda. Várias décadas antes do Alan Turing, Charles Babbage, um inventor do século XIX, propôs dois mecanismos interessantíssimos, a Máquina Diferencial (ou Máquina de Diferenças) e a Máquina Analítica. As duas eram completamente mecânicas, parecidas com um relógio extremamente complexo, e projetadas para serem movidas por um motor a vapor (ou qualquer outra coisa capaz de girar uma manivela).

A Máquina Diferencial era capaz de realizar cálculos matemáticos bastante complexos. Ela chegou a ser construída na época, mas Babbage nunca conseguiu terminá-la. Muitos anos depois, especialistas completaram uma Máquina Diferencial seguindo as plantas originais, e mostraram que ela realmente funcionava. Esse modelo completo pode ser visto no Museu de Ciências de Londres (que aliás é um passeio espetacular pra quem estiver visitando a Inglaterra – eu passei um dia inteiro lá).

Já a Máquina Analítica nunca saiu do papel – pelo menos não da forma imaginada por Babbage. A Máquina Analítica seria um computador programável completo, totalmente mecânico, nos moldes da Máquina Diferencial. Era, portanto, uma Máquina de Turing mecânica – algo espetacular e tão complexo que mesmo hoje em dia não é viável implementá-la, apesar de todos os conceitos importantes terem sido corretamente planejados por Babbage. A primeira implementação real de uma Máquina Turing – ou seja, o primeiro computador – só veio muitos anos depois, com o advento dos componentes eletrônicos e eletromecânicos.

E o LEGO ? Bom, a máquina de Turing em LEGO é de brincadeirinha, e uma Máquina Analítica mecânica nunca foi construída. Mas teve gente que construiu uma Máquina Diferencial de LEGO, um feito genuinamente incrível! Não é um computador de verdade, mas é o mais próximo que já se chegou disso com mecanismos de plástico:

Máquina Diferencial em LEGO

Máquina Diferencial em LEGO

Acharam bizarro ? Aguardem então meu próximo artigo, em que quero falar de computadores a água. E não estou falando de usar água para fornecer energia a computadores mecânicos ou eletrônicos, mas sim de usar água ao invés de elétrons, e canos ao invés de fios, num dispositivo sem partes móveis. Depois da Mecânica e da Eletrônica, chegou a vez Fluídica!

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