Computação Natural

1) Introdução

A ciência da computação vem passando recentemente por uma importante transformação que busca combinar a computação realizada em ciência da computação com a computação observada na natureza que nos cerca, estendendo o conceito de ciência da computação.

Computação Natural é um importante catalisador desta transformação, reunindo várias facetas desta abordagem.

Computação Natural é um termo geral que se refere a computação que ocorre na natureza ou é inspirado por ela.

Busca-se entender e usar processos computacionais que modelam fenômenos complexos que ocorrem na natureza.

Espera-se obter ganhos de conhecimento na Ciências Natural e na Ciência da Computação.

Utiliza características, inspiradas pela natureza, na computação projetada por seres humanos para uso metafórico de conceitos, princípios e mecanismos fundamentando sistemas naturais.

A terminologia computação natural vem sendo empregada na literatura para descrever todos os sistemas computacionais desenvolvidos com inspiração ou utilização de algum mecanismo natural ou biológico de processamento de informação (Ballard, 1999; Gramß et al., 2001; Flake, 2000; Paton et al., 2003; de Castro & Von Zuben, 2004).

Fundamentalmente, a computação natural é constituída por novas abordagens computacionais caracterizadas por uma maior proximidade com a natureza.

2) Objetivos

Dentre os vários objetivos da computação natural, destacam-se:

1. Desenvolver ferramentas matemáticas e computacionais para a solução de problemas complexos em diversas áreas do conhecimento;


2. Projetar dispositivos (computacionais) que simulam, emulam, modelam
   e descrevem sistemas e fenômenos naturais;


3. Sintetizar novas formas de vida, denominadas de vida artificial; e


4. Utilizar mecanismos naturais, como cadeias de DNA e técnicas de engenharia
   genética, como novos paradigmas de computação.

Estes novos paradigmas vêm suplementar e/ou complementar os computadores atuais baseados em tecnologia de silício e arquitetura de Von Neumman.

Existem vários exemplos de objetos (artefatos) desenvolvidos com inspiração na natureza, tais como velcro (plantas), coletes a prova de bala (teias de aranha), sonares (morcegos), aviões, pássaros), entre outros.

Além disso, a observação da natureza permitiu o desenvolvimento de diversas leis e teorias para descrever o seu comportamento.

Por exemplo, pode-se citar algumas leis da física: na termodinâmica - conservação, entropia, e zero absoluto; na mecânica (leis de Newton); no eletromagnetismo (leis de Maxwell); entre outras.

A computação natural também está fortemente ligada à natureza sob diversas perspectivas e com abordagens distintas.

Por exemplo, o funcionamento do cérebro humano inspirou o desenvolvimento das redes neurais artificiais (Haykin, 1999) e o funcionamento do sistema imunológico dos vertebrados inspirou os sistemas imunológicos artificiais (de Castro & Timmis, 2002).

Portanto, a computação natural pode ser vista como uma versão computacional dos processos de análise (extração de idéias, mecanismos, fenômenos e modelos teóricos) e síntese da natureza para o desenvolvimento de sistemas “artificiais”, ou ainda como a utilização de meios e mecanismos naturais para realizar computação.

É importante salientar que a palavra “artificial” no contexto de computação natural significa apenas que os sistemas e dispositivos resultantes são desenvolvidos por seres humanos ao invés de serem produtos diretos da evolução das espécies.

3) Especializações

Universo científico que incorpora as áreas de pesquisa: Inteligência Computacional, Vida Artificial, Sistemas Dinâmicos Não-Lineares e outros sistemas complexos.

A área de computação natural pode ser divida em três grandes sub-áreas (de
Castro & Von Zuben, 2004):

1. Computação Inspirada na Natureza.


2. Computação com Mecanismos Naturais.


3. Estudos sobre a natureza através da computação
   

Este tipo de computação exclui computação evolucionária, computação neural, computação coletiva (inteligência de enxames), computação molecular e computação quântica.

4) Algumas características da Computação Natural:

1. Componentes elementares respondem lentamente quando comparados a componentes de estado sólido, contudo implementam operações de alto nível de abstração.


2. Interações microfísicas, no nível quântico, contribuem para o processamento de sinais.


3. O papel predominante exercido por estruturas dinâmicas em funções biológicas parece ser extensível ao processamento de informações biológicas.


4. O crescimento de suas próprias montagens em sistemas biológicos habilita-os a empregar altos ‘fan-in” e’”fan-out” e enorme densidade de interconexão.


5. As arquiteturas naturais exploram a possibilidade de ser implementada sem der planejada. Assim, pode-se guiar as computações através da energia ou entropia do sistema ao invés de suas restrições.

5) Conclusão

A computação natural é, portanto, a terminologia empregada para se referir a três tipos de sistemas:

1. ferramentas computacionais para resolver problemas tomando-se como inspiração fenômenos e processos naturais, e/ou seus respectivos modelos teóricos (matemáticos);


2. modelos computacionais para a simulação e/ou emulação de sistemas naturais
   e processos; e


3. novos paradigmas de computação que utilizam meios, diferentes do silício, para armazenar e processar informação.
   

Embora todos os ramos da computação natural sejam jovens, sob um ponto de vista científico, muitos deles já estão sendo usados em nossas vidas diárias. Por exemplo, atualmente existem
máquinas de lavar roupa ‘inteligentes’, jogos e brinquedos virtuais/interativos, etc; a pesquisa em vida artificial e a geometria computacional da natureza vêm permitindo a criação de modelos realistas da natureza e a simulação e/ou emulação de diversas espécies de plantas e animais, inclusive em mídias como cinema e televisão, e têm contribuído para a síntese e conseqüente estudo de fenômenos naturais; a computação com meios naturais, por sua vez, vem fornecendo
novas perspectivas sobre como complementar e/ou suplementar a tradicional tecnologia baseada em silício.

A computação natural é altamente relevante para os cientistas da computação e engenheiros, pois ela fornece soluções alternativas, algumas vezes completamente novas, para problemas
até então não resolvidos ou resolvidos de forma pouco eficiente. Ela também fornece novas formas de ver, usar, compreender e interagir com a natureza.

Obviamente, ainda há muito a ser feito e certamente muitas novas propostas irão aparecer nesta área de pesquisa ampla e jovem. Entretanto, existem evidências de que a computação natural não é apenas uma área promissora; seus vários produtos e aplicações já afetam
nossas vidas, mesmo que muitos de nós não saibamos disso. É uma era que está apenas começando.

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