Computação natural é um ramo da ciência da computação destinado a estudar, compreender e aplicar, padrões complexos encontrados na natureza, utilizando-os como base para resolução de problemas, desenvolvimento de novas tecnologias e aperfeiçoamento de sistemas já existentes. Dentre as tecnologias criadas tendo como base conceitos encontrados na natureza, podemos citar o velcro (plantas), sonares (morcegos), submarinos (peixes), entre outros. Além de exemplos práticos, a observação da natureza permitiu também o desenvolvimento de teorias a respeito de como a natureza opera, como, por exemplo, as leis da termodinâmica. Computação natural nada mais é do que uma versão computacional do processo citado anteriormente, em que ideias são obtidas através da observação da natureza.DE CASTRO, Leandro N. Fundamentals of natural computing: basic concepts, algorithms, and applications. Boca Raton, Fla; London, GB: Chapman & Hall/CRC, 2006. 662 p. (Chapman & Hall/CRC computer and information sciecne series) ISBN 1-58488-643-9.

Características Dentre as muitas características da computação natural, e de mecanismos que a utilizam, podemos citar:

O processamento de informações biológicas pode ser complementado pelo papel exercido por estruturas dinâmicas em funções biológicas, facilmente observadas na natureza. Os componentes elementares (como os utilizados em computação quântica) são mais lentos quando comparados ao tempo de resposta de componentes não-elementares, de estado sólido. Porém, possuem a capacidade de implementar operações com um nível mais alto de abstração.Computação natural. Página visitada em 10/05/2012. A possibilidade de implementação sem DER planejada é explorada pelas arquiteturas naturais, permitindo que a computação seja guiada pela energia ou entropia do sistema, ao invés de suas restrições. No nível quântico, operações microfísicas podem contribuir para o processamento de sinais.

Especializações A computação natural é comumente dividida em três grandes áreas focadas em aplicações especificas, são elas:

Computação inspirada na natureza Este primeiro ramo da computação natural é também o mais antigo e bem consolidado. Ele abrange a todos os mecanismos desenvolvidos com base em algum caso observado na natureza. Surgiu pois, com o passar do tempo e a descoberta de novos princípios e teorias que visam implementar modelos computacionais, pesquisadores perceberam a possibilidade de utilizar princípios encontrados na natureza para solucionar problemas e otimizar processos. Assim surgiu a computação inspirada na natureza, que tem como principais áreas de atuação: redes neurais artificiais, algoritmos evolutivos, sistemas imunológicos artificiais, entre outros. O próprio pensamento humano representa um mecanismo natural altamente importante.Computação inspirada na natureza. Página visitada em 12/05/2012.

A computação inspirada na natureza agrega a computação bioinspirada, que tem como inspiração processos da vida para criar algoritmos, a computação evolutiva e a inteligência de enxames, ambas baseados nas teorias de seleção natural e evolução natural de Darwin.

Estudos sobre a natureza através da computação Nesta área da computação natural, são utilizadas estruturas computacionais para sintetizar condutas naturais, padrões e processos similares àqueles vistos na natureza. Tem duas principais linhas de atuação: a vida artificial e a geometria fractal.

Vida artificial é a ciência que estuda a vida natural, de maneira abrangente, bem como características específicas da mesma, na tentativa de recriá-la em meios “artificiais”, como computadores. Ao contrário da biologia tradicional, em que o enfoque do estudo é analítico, a vida artificial enfoca seu estudo sinteticamente, complementando a ciência anteriormente citada. A vida artificial traz benefícios não somente para a biologia, estudando seus fenômenos, mas também para a computação (tanto em hardware quanto em software), robótica, nanotecnologia, medicina e em algumas áreas da engenharia.

Fractais são figuras da geometria não euclidiana e a geometria fractal é a responsável por estudar as particularidades de tais figuras. Expõe diversas situações que a geometria euclidiana não pôde explicar facilmente e foram aplicadas em arte gerada por computador. A computação natural estuda os fractais por tais figuras retratarem formas e fenômenos da natureza.

Computação com mecanismos naturais Refere-se à criação de computadores ou sistemas computacionais, que se baseiam em princípios naturais e orgânicos, utilizando-se das qualidades dos preceitos naturais nas tecnologias computacionais.Computação com mecanismos naturais. Página visitada em 11/05/2012. A exemplo, os computadores de DNA e quânticos. Computadores de DNA tem sua arquitetura baseada no processamento e armazenagem de informações em cadeias genéticas de um DNA, utilizando-se de seu ínfimo tamanho para gerar computadores de alta performance. Computadores Quânticos tem sua arquitetura baseada na mecânica quântica, e com isso podendo se utilizar não apenas o 0 e o 1, mas também a possibilidade de ser o 1 e o 0 ao mesmo tempo, se valendo do Princípio da incerteza de Heisenberg. A necessidade de desenvolver essa nova ideia de tecnologia surgiu a partir da observação de Gordon E. Moore, que constatou que o crescimento da quantidade de transistores irá um dia chegar a seu limite, a partir disso não havendo mais possibilidades de aumento no poder de processamento, surgindo ai a necessidade de criar novas tecnologias a respeito de transmissão de dados.

Objetivos e aplicações A computação natural tenta impor novos paradigmas que visam suplementar e/ou complementar os computadores atuais baseados em tecnologia de silício e arquitetura de Von Neumann.

Tendo diversos objetivos, a computação natural pode ser vista como uma versão computacional dos processos de análise e síntese da natureza, visando o desenvolvimento de sistemas artificiais, isto é, sistemas desenvolvidos por seres humanos, e não obtidos diretamente através da evolução das espécies.

Dentre os objetivos da computação natural, destacam-se:

Fornecimento de técnicas alternativas para solucionar problemas que ainda não foram resolvidos através de técnicas ditas “tradicionais”, não só dentro da computação, mas em diversas áreas do conhecimento. Derivar modelos teóricos computacionais fiéis o suficiente aos mecanismos naturais para, assim, poder simular, emular, modelar e reproduzir algumas de suas funções. Fornecer um melhor entendimento de fenômenos naturais que estejam sendo modelados. Utilizar mecanismos naturais, como cadeias de DNA e técnicas de engenharia genética, como novos paradigmas de computação.

Tendo objetivos que podem ser utilizados em diversas áreas do conhecimento, a computação natural possui diversas possibilidades de aplicação, variando desde o estudo de redes neurais artificiais até a observação de qual a melhor rota a ser tomada no trânsito de uma grande cidade.

Dentre as áreas de aplicação, se destacam: Otimização Robótica Classificação de dados Predição de séries temporais Reconhecimento de padrões em big datas

Um dos mais famosos algoritmos bio-inspirados desenvolvidos é o ACO (Ant Colony Optimization). Ele se baseia no fato de que as formigas tem a capacidade de, entre outras coisas, sempre encontrar o caminho mais eficiente entre uma fonte de alimento e o formigueiro. Elas são capazes de realizar esta tarefa através de uma varredura realizada no ambiente, direcionada pela comunicação ativa existente entre os membros da colônia. Tendo em vista esse comportamento dinâmico, o ACO é capaz de, quando aplicado ao roteamento de veículos, por exemplo, guiar o motorista através do caminho mais eficiente entre seu trabalho e sua casa, ou ainda otimizar rotas utilizadas por transportadoras, visando o menor consumo de seus veículos, e menor tempo de execução para cada entrega, se adequando a obstáculos que possam aparecer no caminho, como vias interditadas e tráfego intenso.Computação natural – Inspirando-se na natureza para resolver problemas. Página visitada em 12/05/2012.

Existem também muitos algoritmos baseados na movimentação de enxames, tendo em vista a simulação do movimento dos mesmos. Estes algoritmos possuem regras básicas que atuam em cada um dos indivíduos permitindo que, quando o coletivo é analisado, se comportem de maneira coesa e contínua.

Ver também Computador quântico Fractais Computador de DNA Inteligência artificial

Ligações externas IBM avança no conceito de computador quântico (em português) Computadores de DNA (em português) Computação Bioinspirada (em português)

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